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磁隔离器抗扰度分析

2021-9-13 09:40:47 2726 隔离器

磁隔离器抗扰度分析

1、磁隔离器简介

数字磁隔离器是一种电气隔离状态下完成数字信号传输的器件，数字磁隔离器大量应用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统、航空航天电子设备以及医疗设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣的场合。使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声；另一个重要原因是保护器件（或人）免受高电压的危害。

磁隔离器利用变压器耦合原理实现数字信号隔离传输，具有高传输速率、高可靠性、低功耗、CMti性能优异以及信号和能量同时传递等优点，成为了数字隔离器的主要发展方向。GL系列数字磁隔离器如图1所示，从图中可以看出电路和硅片变压器集成在一颗裸芯片上，两个裸芯片通过键合线连接。

图1：GL系列数字磁隔离器样品图

2、磁场抗扰度计算

数字磁隔离器采用变压器耦合传输数字信号，通过变压器内部将电能转换为磁能，再感应出电能，电磁耦合包含电生磁和磁生电两个过程。变压器隔离是通过磁耦合来实现的，当初级线圈中的电压（或电流）发生变化时，穿过该线圈的磁通也会发生变化，影响邻近的次级线圈中磁通的变化，根据法拉第电磁感应定律，邻近的线圈会产生感应电动势，交流信号就从初级线圈传送到次级线圈，实现了电信号-磁信号-电信号的信号传递方式。

当隔离器置于变化的强磁场中时，变压器次级线圈会产生一个感生电动势，该感生电动势可能会导致隔离器出现误码现象从而影响信号的传输。根据法拉第电磁感应定律可知，感生电动势的大小取决于环路面积和磁通量密度及磁场频率，详见公（1）。

（1）

其中B是磁通密度， s是环路面积。假定，则公式1可变为：

（2）

磁隔离器的简化电路和等效电路图分别如图2、图3所示，由图可知含有两个闭环回路，分别是初级线圈和发送电路之间的闭合回路和次级线圈与接收电路之间的闭合回路。每个闭合回路分别产生电动势。则公式2为：

（3）

其中EMF1为初级线圈产生的电动势，该电动势经过变压器耦合传输至次级线圈，EMF2为次级线圈产生的电动势，EMF1与EMF2叠加后得到次级线圈的最终电动势。其中l1、l2、d1、d2分别是键合丝长度，次级线圈到接收电路的距离、初级线圈两个键合点之间的距离及次级线圈两个键合点之间的距离，Ƞ是变压器的增益，N是变压器匝数，rn是第n匝线圈的半径，k是面积比，与变压器的几何形状有关，其值详见表1。

图2：磁隔离器的简化电路图

图3：磁隔离器的等效电路图

表 1：k值与形状

形状	圆形	方形	八边形
k	1	4/π	1.05

由前文分析可得，由变换的磁场产生的感生电动势小于隔离器接收阈值电压时，隔离器可以正常工作，即：

（4）

则隔离器的磁场抗扰度为：

（5）

3、磁场抗扰度分析

由公式（5）可知，数字磁隔离器的磁场抗扰度与接收阈值电压、键合丝长度和变压器的自身参数有关。接收阈值电压越大、键合丝越短、硅片变压器的面积越小、匝数越少则抗磁场干扰的能力越强。

GL系列磁隔离器在3.3V的工作条件下，接收器的阈值电压最小约为0.8V，变压器外径仅有500um，匝数仅有10圈，由此依据公式（5）可计算出给定频率时GL系列隔离器允许最大磁场密度。图4是 GL系列隔离器与 ADI公司 ADuM系列的磁场抗干扰极限对比图（来源于ADuM1400数据手册），由图可知，GL系列的磁场抗扰度略优于ADI公司的ADUM系列产品，两者都远超IEC 61000- 4-8 和 IEC61000- 4- 9 的 5 类（最高）测试水平标准。

图4磁场抗扰度对比

表2：ADUM系列和GL系列给定距离的额定电流值@1MHz

距离	ADUM	GL
1m	100kA	160kA
1cm	1kA	1.6 kA
5mm	500A	800A

为了直观理解图4所示磁场抗扰度，以无限长直导线流过的电流对ADUM系列隔离器和GL系列隔离器影响为例。如表2所示，在1MHz频率下，距离为1m时，电流需要达到100kA和160kA才能造成隔离器误触发；距离为1cm时，电流需要达到1kA时和1.6kA才能造成隔离器误触发；距离为5mm时，电流需要达到500A和800A才能造成隔离器误触发。而这样的电流工作条件在实际电子系统中并不存在。

如前所述，GL系列磁隔离器在3.3V的工作条件下，接收器的阈值电压最小约为0.8V，变压器外径仅有500um，匝数仅有10圈，其有效长度小于5mm；常见的CMOS接收端口信号走线在PCB上普遍超过５mm，而其接收阈值也为0.8V。因此即使存在上述情况，隔离器的周边集成电路也已经出现故障。

4、结论

由上述分析可知，数字磁隔离器与常见集成电路磁场抗扰度能力相当，不需要进行额外的电磁防护处理，可以满足用户使用要求。