发 帖  
原厂入驻New

[经验] 数字隔离:每位汽车设计师都需要了解的内容

2020-9-3 16:15:21  140 数字隔离
分享
2
几十年前,电子发动机控制将汽车从单纯的机械系统转变为传感器,微控制器和其他电子设备的复杂组合。汽车设计师很快就接受了这项新技术,并将其专业知识扩展到了电子领域。随着电动汽车和混合动力电动汽车的出现,历史在重演。除了低电压,低功率的12V系统之外,现代EV和混合动力系统还利用800 V系统的功率,甚至还有更高的电压。
就像几十年前学习电子产品一样,汽车设计师现在必须学习并采用一种新技术:电流隔离。电流隔离将车辆中的高压域与低压域分开,这对于确保现代高压车辆系统的安全和运行至关重要。电隔离本身背后的技术也迅速发展。随着CMOS工艺的进步为尖端的数字隔离打开了大门,简单的光合器的时代正在逐渐消失。新型隔离器带来了很多好处,同时也带来了一些新的挑战。幸运的是,只需一点点背景知识和一些简单的设计技巧,就可以克服汽车设计师面临的最常见的隔离挑战。
工业级的问题
在进入隔离之前,需要对汽车半导体器件有一定的了解。设计任何汽车系统时,必须使用汽车级设备。许多工业级设备都具有AEC-Q100认证,但是AEC-Q100认证通常不足以满足当今车辆的严格要求。隔离设备尤其如此,因为从安全和系统操作的角度来看,它们都是至关重要的组件。隔离器通常会中继控制信号,测量关键电压和电流,并与主车辆控制单元安全通信。如果隔离器发生故障,则整个系统将发生故障。
隔离会在系统中的两个接地之间产生很高的阻抗,从而有效消除了它们之间的电气连接。(来源:Silicon Labs)
真正的汽车级产品除了通过AEC-Q100认证外,还利用特殊的铸造厂监控,控制和方法来实现零缺陷(DPPM)。大多数汽车级材料还包括详细的产品信息报告,包括生产零件批准程序(PPAP)和国际材料数据系统(IMDS)文件以及优先级失败分析。这些额外的步骤和文档可确保隔离器或任何半导体器件确实可以在车辆中使用。
电流隔离
入门知识过去的12V汽车系统不需要隔离,但是隔离现在是高压电动汽车系统的关键。对于许多汽车设计师来说,隔离并不是一个未知的概念,但是他们并不那么熟悉。简而言之,电流隔离将两个具有高阻抗势垒的电路隔离开来,以防止电流在它们之间流动。隔离设备用于允许跨隔离栅进行通信。例如,在牵引逆变器中,系统控制器可能处于低压电源域中,而驱动电机的场效应晶体管(FET)都处于高压电源域中。
使用隔离的栅极驱动器,系统控制器可以安全地从低压域控制FET的开关。此外,隔离可通过同时保护低压电路免受危险高压的影响,为系统提供至关重要的安全性。除了安全性,隔离屏障还大大降低了两个不同电路之间的接地环路所引起的噪声。这在数据完整性是关键的车辆通信系统中特别有用。在了解如何使用隔离以及为何需要隔离的前提下,安全要求是大多数汽车设计师面临的首要挑战。
关于安全性可以安全地说几件事
对于任何高压系统,设计人员必须征询其内部安全团队和/或外部安全合规机构的意见,以确保其系统符合其标准的安全要求是绝对必要的。
车辆隔离的主要作用是确保系统安全。因此,汽车设计人员必须了解隔离器的关键安全功能及其含义。除了隔离器的额定电压外,通常还有三个引起设计人员困惑的常见主题:爬电距离,电气间隙和安全机构标记。
图2:以图形方式显示了爬电距离和电气间隙。(来源:Silicon Labs)爬电和间隙解决了防止电流意外流过隔离设备中包含的屏障的问题,而安全机构标记则有助于验证设备内隔离屏障阻止电流流过隔离设备的能力。图2说明了爬电距离和电气间隙之间的差异。爬电距离是指隔离栅两侧的两个引脚之间的封装最短距离。

间隙是封装上两个引脚之间的距离,表示两个隔离面之间的最短视线距离(空气中)。最终系统标准(例如,信息技术的IEC 62368-1)对于给定的高压都具有最小的爬电距离和电气间隙距离的要求,开始设计之前应先咨询该标准。如果在空气中无法满足这些距离,则需要保形涂层,从而增加了很多问题,包括成本和返工困难。设计人员还应特别注意隔离器的封装,因为某些较旧的封装的残余拉杆暴露在边缘,从而降低了封装的爬电等级,如图3所示。在选择了具有足够爬电距离的器件之后和清除,设计人员现在必须查看隔离设备的安全许可。
图3:裸露的拉杆(带圆圈)减少了爬电距离。(来源:Silicon Labs)对于许多设计师而言,安全认证很快就会成为头疼的问题。了解安全标志代表什么以及它们如何适合系统认证,可以减轻过程的痛苦。安全机构在产品(例如VDE,UL或CSA)上的标记具有两个关键意义。首先,这表示产品已通过该特定标记的测试要求,并具有安全机构的测试证书和测试报告。其次,通常会错过这一点,安全机构会定期审核生产设施,以确保所有设备的制造都与安全报告中测试的相同。如果没有此步骤,则设备可能会具有安全测试报告,但制造商可能会在以后更改其制造方式,并且不再通过安全测试。
为什么这对汽车系统设计人员很重要?这很重要,因为隔离装置通常被安全机构认为对安全至关重要。使用带有适当安全标志的隔离设备将大大简化整个系统的认证。大多数隔离制造商都会在其网站上或通过其销售团队提供其安全证书。如果他们不这样做,那将是一个很大的危险信号。拥有安全认证并在隔离设备上带有适当的标记,设计人员可以着手解决他们熟悉的问题,从而解决设备故障。
最常见的故障机制
隔离器在车辆中发生故障的最常见原因是什么?不,答案不是隔离屏障会随着时间的流逝而失败。实际上,数字隔离器中的隔离栅很少会失效。迄今为止,电气过应力(EOS)是隔离器在汽车应用中发生故障的最常见原因。EOS可能由多种问题引起,具体取决于应用程序和所使用隔离器的类型。超过电源和I / O电压额定值是两个常见的问题,而有关ESD的问题也很严重。
像任何半导体器件一样,隔离器器件将为电源和输入电压范围指定“绝对最大值”值,如果超过这些值,则可能会损坏器件。大多数数字隔离设备都需要在隔离栅的两侧VDDA和VDDB供电。对于使数字I / O信号通过隔离栅的数字隔离器,隔离器每一侧的电源电压具有CMOS器件的典型输入范围。同样,I / O引脚需要保持在VDD范围内,并且几乎不能容忍超过VDD的任何东西。
但是,隔离的栅极驱动器通常在驱动功率器件(FET或IGBT)的隔离器一侧提供更大的VDD范围,因为许多功率器件需要的栅极电压高于典型CMOS所能提供的栅极电压。有关Silicon Labs的Si86xx数字隔离器和Silicon Labs的Si823x隔离式栅极驱动器的电源电压和I / O电压的比较,请参见表1。对于电源轨,一个简单而通用的解决方法是仔细遵循制造商的建议,选择合适的旁路电容器,并将其尽可能靠近器件放置。
表1:数字隔离器和隔离式栅极驱动器电源以及I / O额定电压。单击图像放大。(来源:Silicon Labs)ESD事件可能更加复杂并且难以追踪。对于汽车应用,重要的是要了解正在评估的AEC-Q100 ESD测试以及隔离器将在系统中经历哪种类型的ESD。对于隔离器等组件,AEC-Q100-002测试人体模型(HBM)ESD,而AEC-Q100-011测试电容式放电模型(CDM)ESD。
顾名思义,HBM ESD旨在测试当带静电的人(例如,从地毯上翻来覆去的脚)接触设备时设备的坚固程度。图4显示了测试设置。CDM完全不同。在此模型中,该器件具有电荷,并通过低阻抗的金属对金属接触通过单个引脚进行耗散。图5显示了CDM的典型测试设置。对于汽车应用,AEC标准在每个引脚上对CDM进行正向测试3次,负向测试3次。了解这两种类型的ESD测试可以使系统设计人员了解隔离设备的ESD额定值,并将其转化为他们的系统ESD要求。
图4:用于人体模型ESD测试的典型测试设置。(来源:Silicon Labs)(点击图片放大。)许多系统级的ESD测试都在比器件额定值高得多的水平上进行,并且在多点测试中采用了与隔离设备引脚不同的路径。如果隔离设备是系统ESD测试中的故障组件,则有一些常见的修复方法。如果仅在隔离器的一侧发生ESD损坏,则通常增加VDD旁路电容器可以帮助解决该问题。可能还需要针对隔离器那侧的ESD保护得到改善,例如ESD二极管,RC电路或铁氧体磁珠
如果在隔离栅两端发生ESD损坏,同时对隔离器的两侧造成损坏,则只需在两个接地层之间跨隔离栅添加一个电容器即可解决此问题。通常将其称为Y电容器,并且必须使用与隔离器相同或更高的隔离电压。就像隔离装置一样,Y电容器也必须是汽车级的。
尽管DC电流不会流过跨过隔离栅的Y电容器,但它可以允许在隔离的电源域之间流动的AC“漏电流”的量略有增加。必须限制Y电容器的值,以确保不违反应用的交流泄漏电流要求。如果Y电容器不能解决问题,则可能需要具有更高浪涌额定值的隔离设备。
图5:用于电容放电模型EST测试的典型测试设置。(来源:Silicon Labs)车辆中隔离的需求相对较新,因为旧的12V系统几乎不需要较高的电压和大功率的电子设备。电动汽车和混合动力汽车改变了行业需求。最新的汽车技术专注于在比以前更高的电压下运行的复杂电气系统。这迫使汽车行业采用数字隔离技术,使其成为未来成功的关键。将新技术推向市场,尤其是汽车市场,总是带来挑战。但是,当今的数字隔离技术使添加隔离和控制复杂的电气系统比以往更加简单。随着汽车市场和政府推动汽车电气化,汽车设计人员将继续依靠安全性,可靠性,

lm12041204a 2020-9-4 11:44:41
感谢楼主分享
回复

举报

评论

高级模式
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容图片侵权或者其他问题,请联系本站作侵删。 侵权投诉
发经验
关闭

站长推荐 上一条 /7 下一条

快速回复 返回顶部 返回列表