基于光耦隔离技术增强工业电机控制性能！-华南微半导体

    隔离用户和敏感的电子组件是电机控制系统的重要考虑因素。安全隔离用于保护用户免受有害电压的侵害，功能隔离用于保护设备和装置。电机控制系统可能包含各种隔离设备，例如：驱动电路中的隔离栅极驱动器；检测电路中的隔离ADC，放大器和传感器,在通信电路标准数字隔离器中隔离了SPI，RS-485和RS-485。无论出于安全原因还是为了优化性能，都需要仔细选择这些设备。

    尽管隔离是系统的重要考虑因素，但它也有缺点：它将增加功耗，跨隔离屏障传输数据将导致延迟，并增加系统成本。传统上，系统设计师转向光隔离解决方案，多年来，光隔离解决方案一直是系统隔离的自然选择。在过去的十年中，基于磁（变压器传输）方法的数字隔离器提供了可行的替代方法，在许多情况下，它们是更好的选择。从系统角度来看，它还具有系统设计人员可能无法意识到的优点。

    本文将介绍这两种隔离解决方案，重点放在改善磁隔离方面的延迟定时性能，以及在系统级为电动机控制应用带来的好处。

    隔离方式

    如图所示，光耦合器以光为主要传输方式。发送侧包括一个LED，高电平信号使LED点亮，而低电平信号使LED熄灭。接收侧使用光电探测器将接收到的光信号转换回电信号。隔离由LED和光电检测器之间的塑料封装材料提供，但也可以通过附加的隔离层（通常基于聚合物）来增强。

    光耦合器的最大缺点之一是：LED老化会使传输特性漂移,设计人员必须考虑这个附加问题。LED老化会导致计时性能随时间和温度而漂移。因此，信号传输和上升/下降时间将受到影响，使设计复杂化，尤其是考虑到本文稍后将要解决的问题。

    光耦合器的性能扩展也受到限制。为了提高数据速率，必须克服光耦合器固有的寄生电容问题，这将导致功耗增加。寄生电容还将提供耦合机制，从而导致基于光耦合器的隔离设备的CMTI（共模瞬变抗扰性）性能不及竞争解决方案。

    电磁隔离器（基于变压器）已经大规模使用了十多年，并且是光耦合器的有效替代产品。这种类型的隔离器基于标准的CMOS技术，使用磁传输原理，并且隔离层由聚酰亚胺或二氧化硅制成，如图所示。低电平电流以脉冲方式通过线圈传输。产生磁场，该磁场穿过隔离栅并在隔离栅另一侧的第二线圈中感应出电流。由于采用了标准的CMOS结构，因此在功耗和速度方面都具有明显的优势，并且不存在与光耦合器有关的寿命偏差问题。此外，基于变压器的隔离器的CMTI性能要优于基于光耦合器的隔离器。

    在电机控制器（通常由处理器和/或FPGA实现）中生成PWM信号（例如PWMaH和PWMaL）。这些信号通常是低压信号，并与处理器共享接地。为了正确地打开和关闭功率晶体管，必须放大逻辑电平信号的电压电平和电流驱动能力，并且必须执行电平转换以将相关功率晶体管的发射极接地。根据系统中处理器的位置，可能还需要对这些信号进行安全隔离。

    门驱动器执行此功能。每个栅极驱动器IC需要基于处理器接地的初级侧电源电压和基于晶体管发射极的次级侧电源。次级侧电源的电压电平必须能够打开功率晶体管（通常为15V），并具有足够的电流驱动能力以对晶体管的栅极进行充电和放电。