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作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 高級應用工程師 數(shù)字電容隔離器的應用環(huán)境通常包括一些大型電動馬達、發(fā)電機以及其他產(chǎn)生強電磁場的設備。暴露在這些磁場中，可引起潛在的數(shù)據(jù)損壞問題，因為電勢（EMF， 即這些磁場形成的電壓）會干擾數(shù)據(jù)信號傳輸。由于存在這種潛在威脅，因此許多數(shù)字隔離器用戶都要求隔離器具備高磁場抗擾度 (MFI)。許多數(shù)字隔離器技術(shù)都聲稱具有高MFI，但電容隔離器卻因其設計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)擁有幾乎無窮大的MFI。本文將對其設計進行詳細的介紹。 基本物理定則 諸如電動機的電源線等帶電導體，其周圍便是一個由流經(jīng)它的電流形成的磁場。應用右手定則（請參見圖 1），我們很容易便可以確定該磁場的方向。該定則的內(nèi)容如下：用右手握住導體，然后拇指指向電流的方向，這時環(huán)繞導體的手指便指向磁場的方向。因此，磁通線的平面始終與電流垂直。 圖1顯示了DC電流的磁通密度B。就AC電流而言，將右手定則用于兩個方向，磁場和AC電流都隨同一個頻率f而變化：B(f) ~ I(f)。磁場（或者更加精確的說法是磁通密度及其相應磁場強度）隨導體中心軸距離的增加而減弱。這些關(guān)系可以表示為： 
以及
其中，B為以第平方米伏秒 (V•s/m2) 表示的磁通密度，μ0為自由空間中的磁導率（計算方法為4π×10–7 V•s/A•m），I為以安培為單位的電流，r為以米為單位的導體距離，而H為以安培每米 (A/m) 為單位的磁場強度。
圖1右手定則 磁場線穿過附近導體環(huán)路時，它們會產(chǎn)生一個EMF，其強度大小取決于環(huán)路面積和通量密度及磁場頻率：
EMF為以伏特為單位的電勢，f為磁場頻率，而A為以平方米 (m2) 為單位的環(huán)路面積。 所有隔離器都有一定形狀或者形式的導電環(huán)路，以讓磁場線穿過并產(chǎn)生EMF。如果強度足夠大，則這種疊加到信號電壓上的EMF就會導致錯誤數(shù)據(jù)傳輸。實際上，一些隔離技術(shù)對電磁干擾非常敏感。為了理解電容隔離器為什么不受磁場的影響，我們需要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行研究。 電容隔離器的結(jié)構(gòu) 電容隔離器由兩塊硅芯片—一個發(fā)送器和一個接收機組成（請參見圖2）。數(shù)據(jù)傳輸在由兩個電容構(gòu)成的差動隔離層之間進行，在每個電容的二氧化硅 (SiO2) 電介質(zhì)兩端都有一塊銅頂片和一個導電硅底片。發(fā)送器芯片的驅(qū)動器輸出通過一些接合線連接到接收機芯片上隔離電容的頂片。通過將電容的底片連接接收機輸入構(gòu)成了一個導電環(huán)路。圖3顯示了隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖，并標示出了金接合線之間的環(huán)路區(qū)域。很明顯，穿過該環(huán)路的磁場將會產(chǎn)生一個 EMF，其表示下面RC網(wǎng)絡的輸入電壓噪聲Vn1。我們常常碰到的第二種差動噪聲部分Vn2，其產(chǎn)生原因是共模噪聲到差動噪聲的轉(zhuǎn)換。兩個噪聲分量共同組成了綜合噪聲Vn。如果只考慮EMF的影響，則可以保守地將Vn一分為二：
圖2 電容隔離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化結(jié)構(gòu)圖
圖3 隔離層的等效電路結(jié)構(gòu)圖 若要觸發(fā)接收機，RC網(wǎng)絡的輸出必須提供一個差動輸入電壓VID，其超出了接收機輸入閾值。是否出現(xiàn)偽觸發(fā)，具體取決于RC網(wǎng)絡的增益響應G（f）。 將差動網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換為單端網(wǎng)絡（請參見圖4），簡化了G (f) 的推導過程，但卻要求C′1 = 2C1，R′1= R1/2，C′2 = 2C2，以及 R′2 = R2/2。
圖4 單端RC網(wǎng)絡 一次電路仿真證實了RC網(wǎng)絡為一個一階高通濾波器，其C′1和R′1為主要組件，頻率高達100 MHz（參見圖5中藍色曲線）。超出這一頻率以后，寄生組件C′2和R′2生效，從而引起稍稍偏離于線性的斜率。因此，頻率達到100 MHz 以后，增益響應可以表示為VID/vn的比：
確定不會引起偽接收機觸發(fā)的最大允許噪聲，要求對方程式5求解vn：
然后，將vn代入方程式4，得到以伏特為單位的最大容許EMF：
將EMF代入方程式3，得到最大可能磁通密度：
圖5 增益幅度頻率響應 |G(f)| 通過將下列數(shù)值插入方程式8中，推導出表 1 所列磁通密度的頻變值： VID =10 mV（接收機輸入閾值的大小） R′1 × C′1 = 25 ps（有效時間常數(shù)） A = 944 × 10–9 m2（有效環(huán)路面積） f = 1 kHz to 100 MHz（相關(guān)頻率范圍） 表1 距離電容隔離器0.1m的導體的電流值和磁場值
利用方程式2和3還得到EMF、磁場強度 (H) 以及導體（此處假設將來的隔離器為0.1m）的相應電流 (I)。 由表1所列的一些極高值，清楚地表明 5 兆安低頻電流和100MHz下500A電流都不能讓這種隔離器停止正常工作。出現(xiàn)這種幾乎無限MFI的原因是隔離電容的位置。如果這些電容位于發(fā)送器芯片上，則任何接合線中產(chǎn)生的EMF都能夠影響到未受干擾的接收機輸入。 很明顯，這種高MFI值不可能進行實際的測試。電容隔離器的產(chǎn)品說明書說明了僅1000 A/m 的適度值作為實際測試用。然而，無屏蔽電容隔離器可以輕松通過IEC61000-4-8和IEC61000-4-9標準的5級MFI要求。這些標準分別描述了高達100 A/m電源頻率電磁場以及1000 A/m脈沖電磁場的應用。5級規(guī)定了許多導體、總線或者中高壓線路的惡劣工業(yè)環(huán)境，它們都攜帶有數(shù)萬安的電流。另外還包括許多攜帶全部雷電電流的雷電保護系統(tǒng)和高層建筑結(jié)構(gòu)（例如：電纜塔等）的接地導體。重型工業(yè)廠房和電站的室外配電裝置也是這種環(huán)境的代表。 圖6將電容隔離器的計算得MFI閾值同IEC 61000-4-8和IEC 61000-4-9的5級（最高）測試水平進行了對比。
圖6 MFI測試閾值 結(jié)論 超出電容隔離器差動電路噪聲預算的磁耦合要求1MHz下大于11.7 V•s/m2（117千高斯） 的磁通量密度。這需要在一個距離器件0.1m的導體中有超過5百萬安的電流才能產(chǎn)生這樣一個磁場。在自然界或者任何制造設備中這都是不可能存在的。如果的確存在，那么設計人員便可做以下情況假設：在隔離層失效以前，周圍的電路便都已失效。 |
