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数字隔离芯片电磁兼容性之二:EMI产生机理

发布时间:2018-10-19 发布人: 阅读量:1548

一、数字隔离芯片信号传输方式

数字隔离芯片在电路中实现安全绝缘功能,同时能够把信号从一端传输到隔离的另一端,实质就是在相应时域范围内传输逻辑1和逻辑0,因此信号的传输方式对数字隔离芯片很重要。数字隔离芯片信号传输方式主要有以下几种:

1.OOK(On-Off Keying)技术 

OOK技术是数字调制的一种,也称为二进制幅移键控(2ASK)。当调制信号为逻辑1时,载波处于开状态,当调制信号为逻辑0时,载波处于关状态,如图1a所示,因而称为开关键控(OOK);也可以反过来进行调制,当调制信号为逻辑0时,载波处于开状态,当调制信号为逻辑1时,载波处于关状态,如图1b所示。OOK技术的发射和接收单元的结构简单,是一种低质量、低成本的数字通信类型,很少用在高容量,高性能的通信系统中。OOK技术是节省能量的一种调制方式,因为只有在发送逻辑1或者发送逻辑0时才发送载波,才辐射能量,因而可以节省功率。考虑到有限的芯片尺寸,数字隔离芯片信号传输过程中,采用简单可靠、低成本、低功耗的信号传输技术,因此友商近期的数字隔离芯片多采用OOK技术来传输信号

2. 边界型脉冲编码调制技术

边界型脉冲编码调制技术是数字调制的一种,当调制信号从逻辑0切换为逻辑1时,载波脉冲串(序列)为M个窄脉冲,当调制信号从逻辑1切换为逻辑0时,载波脉冲串(序列)为N个窄脉冲,接收单元根据载波脉冲串的窄脉冲个数判断调制信号的状态,如图2所示。当传送低频的调制信号时,边界型脉冲编码调制技术可以节省能量,因为只有在调制信号的逻辑状态切换时,才发送有限个载波,才辐射能量,因而可以节省功率。当调制信号频率高时,调制信号频繁的在逻辑0和逻辑1之间切换,所发送载波脉冲数量比较多,辐射能量大,浪费功率。A友商早期数字隔离芯片采用的就是这种边界型脉冲编码调制技术。

图2 边界型脉冲编码调制示意图    图3 边沿直接传输示意图

3. 边沿直接传输技术

为了进一步降低信号传输功率,荣湃半导体没有采用调制解调的方式,而是采用上升沿和下降沿直接传输信号的技术。即输入信号从逻辑0切换为逻辑1的上升沿时和从逻辑1切换为逻辑0的下降沿时,利用耦合电容“隔直通交”的特点,信号直接通过耦合电容传到接收单元,如图3所示。为确保输出端状态正确并稳定,借鉴单片机中的看门狗技术,发射单元的调制信号在没有上升沿和下降沿的变化时,会定时发送更新脉冲信号;如果接收单元在设定的短时间内没有收到发射单元的更新脉冲信号,会假定输入端是处于掉电等异常状态,数字隔离芯片输出端会强制输出缺省状态。因为没有采用调制解调的方法,没有高频载波的存在,因此功耗很低,荣湃的数字隔离芯片是目前功耗最低的数字隔离芯片。

二、数字隔离芯片耦合方式

1. 磁场耦合

用磁场传递信号的典型元件是变压器。对交流信号的隔离,可以直接使用变压器。但变压器不能传递直流信号,对频率很低的信号,激磁电感变得很小,传递效果也不好。要用变压器传递直流和低频信号,须在输入端将输入信号调制成一个交流信号,用变压器传递此信号,在输出端解调,得到一个与输入信号相关的输出信号。这就是电感耦合的机理,其本质是通过磁场耦合传递信号,实现隔离,业界常称此技术为磁隔离,电感隔离,其本质就是磁场耦合。

随着技术的发展,MEMS技术(Micro-Electro-Mechanical System,微电子机械系统)使得片上变压器制作成为可以,也为电磁隔离提供了新的发展方向。片上变压器是采用MEMS工艺等集成电路制作手段设计的微米级电感线圈对,基本原理与普通变压器相同,相互靠近的导电线圈通过磁通变化相互感应,但是片上变压器体积小,没有磁芯,高频耦合性能好且不存在磁饱和、退磁等现象。由于体积与集成电路相当,可以利用封装技术与集成电路封装在一起。因为片上变压器没有磁芯,是个空心变压器,易受外部磁场(噪声)的干扰,磁场抗扰度(MFI)低。

2.电场耦合

电容耦合技术就是在中间介质上采用一个不断变化的电场来传输信息。电容器极板之间的介质空间是一个极高耐压的电介质隔离器,形成数据非接触传输的隔离层。该极板尺寸、极板之间的间隔和电介质材料等决定着电气性能。在电容极板之间存在电场,电容上电压变化引起电场变化,在微观上表现为电容电荷的变化,这样就可以将交流信号传递到下一级。这就是电容耦合的机理,其本质是通过变化的电场来传递信号,通过电介质隔离层实现隔离。业界常称此技术为电容隔离,容隔,其本质就是电场耦合。电容耦合技术属于近距离信号传输,由于电场是封闭的,所以对周边环境辐射和干扰极小,如图6所示。电容耦合对磁场的抗扰度可以使其在饱和或高密度磁场环境下运行。

为了降低隔离栅电容的电压,提高隔离芯片的隔离耐压,荣湃半导体采用双芯片隔离技术,如图5所示。

三、数字隔离芯片的EMI产生机理

1.磁隔离

采用磁隔离技术的数字隔离芯片,为了可靠传输信号,片上变压器的线圈匝数不能太少,也就是说激磁电感 不能太小;因为片上变压器线圈匝数较多,片上变压器原副边之间的隔离栅电容也比较大。这里计算一下激磁电感 LM 与隔离栅电容 Ci-o的谐振频率fr

假设 LM=10nHCi-o=1pF则谐振频率fr=1.59 GHz

注:理论上可以在数据手册里查询到输入端与输出端隔离电容Ci-o,因为DIN V VDE V0884-10要求供应商把Ci-o标注在数据手册里。

在调制解调技术中,载波频率fcarrier 一般至少是调制信号频率的6倍以上,对于数据速率是150Mbps的数字隔离芯片,则其载波频率fcarrier≥6×150Mbps/2=450MHz

如果载波频率fcarrier=530MHz.fr=3×fcarrier当载波频率fcarrier低次谐波分量与谐振频率匹配(相等或相近)时,载波信号就成为了谐振腔的激励源,使得局部电路处于谐振状态,谐振能量是正常传输的能量数倍以上,空心线圈、键合线和走线都可能作为天线向外辐射能量,辐射能量加大,进一步就产生了EMI问题。

2.电容隔离

采用电容隔离技术的数字隔离芯片,没有激磁电感 LM键合线和走线的分布电感LpartialLM小一个数量级以上。理论上键合焊盘面积比片上变压器的空心线圈面积小,键合焊盘做为隔离栅电容一个极板,隔离栅电容 Ci-o也会比较小,分布电感 Lpartial与隔离栅电容Ci-o的谐振频率fr仍满足公式(1)。假设Lpartial=1nH,Ci-o=0.5pF,则谐振频率=7.1 GHz

如果载波频率fcarrier=474MHzfr=15×fcarrier。当局部电路处于谐振状态时,键合线和走线也可以作为天线向外辐射能量,进一步产生EMI问题。但是谐振频率fr与载波频率fcarrier的15次谐波相匹配,所以谐振能量理论上比同等条件下磁隔离的要小很多。

四、荣湃半导体数字隔离芯片的EMI特性

荣湃半导体采用独特的双芯片电容隔离技术,隔离栅电容Ci-o 更小,分布电感Lpartial与隔离栅电容Ci-o的谐振频率fr>15 GHz。

荣湃半导体采用独特的边沿直接传输技术,没有采用OOK技术,也就是说没有高频载波,不存在载波频率fcarrier低次谐波分量与谐振频率fr匹配,不存在这种谐振,自然EMI特性好。

荣湃的1系列的数字隔离器是采用电容耦合技术。该系列数字隔离器集成的片上电容可实现更快速的数据传输和更高的信号完整性,其抗磁干扰能力比电磁耦合技术好很多,且功耗较高性能光电耦合技术降低了很多。荣湃的数字隔离器具有极高的性价比,非常适用于RS485/422通信,CAN总线,SPI总线,现场总线等有干扰的工业网络中应用。