如何解决隔离单电源工业机器人系统中的高电压
时间:2018-05-30 10:55来源:电子发烧友
摘要:在我们设计单电源工业机器人的过程中系统总是存在高压差,对我设计带来了许多的不便之处那么我们应该如何解决呢?
在我们设计单电源工业机器人的过程中系统总是存在高压差,对我设计带来了许多的不便之处那么我们应该如何解决呢?
在存在电流隔离情况下,没有直接的传导路径。此类型电路的好处在于,可通过使用光场、磁场或电场,利用电流隔离栅交换模拟或数字信息。这些场打开了很多门。通过其中的一个门,多个系统可以在不同的接地和电压电位下安全、正确地运行。它们还可以交换模拟或数字信息,而不会在过程中相互干扰或破坏。
为了解决这些问题,设计人员需要为多系统电路找到合适的电流隔离技术。选择有光学(LED,光电二极管)、电气(电容器)或磁性(电感器)解决方案。在本文中,所有隔离栅都在硅或半导体封装的某个部分中实现。
2 光学隔离
光学隔离依赖于传输光线的 LED 和接收光线的光电检测器之间的分离。对于电流隔离,LED 通过隔离材料(如透明聚酰亚胺)对准光电二极管。
光隔离的优势是不受电场和磁场的影响。但是,LED 在其使用寿命内会老化。
3 光隔离栅模拟信号应用
光隔离设备的隔离栅能够传输模拟或数字信号。Vishay Semiconductor Opto Division IL300 线性光耦合器是一种线性光隔离器件,封装内部有一个 LED 和两个光电二极管,所有元件之间彼此实现电隔离。在 IL300 芯片中,LED 光均匀照射在两个光电二极管上,以产生同等的电流(IP1 和 IP2)。
U1 放大器(Texas Instruments,TLV9064IDR)驱动 IL300 LED 以产生反馈光电二极管电流 (IP1)。前馈光电二极管电流 (IP2) 通过隔离式 R2 电阻器发送,该电阻器位于隔离式 U2 放大器的反馈环路中。在此电路中,增益等于 R2/R1。另外,Vout 信号不受 VCC1 相对 VCC2 的变化和两个接地的影响。
LED 亮度随时间的推移会降低。但是,图 4 中的系统不依赖于 LED 的亮度水平;它只要求 LED 打开。LED 光线由两个光电二极管平均地捕获。要将 IL300 应用于图 1 中的框图,人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间的位置可能较为适合。
4 光隔离栅的数字信号应用
光耦合器的另一个应用是将设备用作数字发射器。Vishay Semiconductor Opto Division 的 SFH6750-X007T 双通道光耦合器和 QT Brightek 的 QTM601T1 单通道光耦合器是高速光耦合器,采用开漏 NMOS 晶体管输出,可轻松隔离模数转换器 (ADC) 的三通道数字输出。
一个 24 位三角积分 (ΔƩ) 转换器的串行输出代码从电路的隔离侧传输到系统侧。SFH6750 在数字域中以光学方式完成此传输。
SFH6750 和 QTM601T1 配置提供高达 10 兆波特率 (MBd) 的传输速度,因而适合高速数据应用。从图 1 的框图中可以看出,ADC 接口可能适合放置于人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间。
5 电感隔离
电感隔离采用两个上下堆叠的线圈,线圈之间通过介电材料隔离开来。施加交流信号后会产生一个磁场,进而在次级线圈中产生一个电场。
6 电感线圈型隔离栅的电源应用
磁性隔离栅适用于模拟和电源隔离应用。作为电源转换器,Analog Devices 的 ADP1621ARMZ-R7 隔离式升压 DC-DC 控制器的电感器和外部电源 FET 分别为 T1 和 Q3。
Analog Devices ADUM3190ARQZ-RL7 高稳定度线性隔离式误差放大器提供了从 T1 的次级侧到初级侧的模拟反馈信号。整个电路的工作电压为 5 V 到 24 V,适用于标准工业电源。
7 电容隔离
电容隔离元件的构造包括紧密相邻的两块电容板,两板之间夹有电介质。二氧化硅 (SiO2) 材料可植入电容板之间,以产生这种隔离能力。在此配置中,SiO2 的击穿电压为 500 - 800 V/微米 (µm)。此类隔离器的典型距离为 27 µm,因此隔离栅隔离能力为 13.5 kV 至 21.6 kV。
电容隔离最适合于小空间应用。然而,其周边电路比光学和磁性解决方案更为复杂。
8 电容隔离栅的模拟应用
典型的电容模拟隔离器Texas Instruments AMC1301DWVRQ1 或 AMC1311DWV,接收模拟信号,将信号调制为数字表示,然后通过隔离栅传输数字化信号。
在隔离栅的接收器侧,信号被解调回差分输出模拟信号。
电机控制环境中的电感负载易受高开关电压摆动的影响。为确保正常运行,需要不断监控此频繁变化的环境。使用电阻分压器降低电机驱动电路中的高共模电压的隔离电压检测,就是相应的 AMC1301 和 AMC1311 隔离放大器电机控制应用。
通过分流电阻器 RSHUNT 和 AMC1301 隔离式放大器实现相电流测量。凭借高阻抗输入和高共模瞬态抗扰度,AMC1311 可感测偏置电压 VBIAS,从而实现系统配置的稳定读取。即使在高噪声环境下,AMC1311 也能确保可靠性和准确度,例如电机驱动器中所用变频器的功率级读取。
AMC1301 和 AMC1311 均可抗电磁干扰,并具有高达 7 kVPEAK 的电流隔离能力。当与隔离式电源配合使用时,AMC1301 和 AMC1311 可防止高共模电压线路的噪声电流进入本地接地,以免干扰或损坏敏感电路。
9 电容隔离栅的数字应用
在准备将直流信号传输至输出引脚的过程中,典型电容式数字隔离器接收数字信号,将信号调制为适当的交流信号,然后发送至解调器。
只要传输信号保持高电平,就可以在接收器侧生成高电平数字传输信号。此逻辑中的冲突是,如果电荷从电容板上消散,或者如果接收器端出现电源中断,输入状态为高电平时,输出可能会变为零。如果发生这种情况,接收器数字信号高电平状态会丢失。为了解决此问题,调制器为数字“0”创建单个低电压,并为数字“1”创建一个快速交流轨至轨信号。
一个电容式数字隔离实例就是,使用 Silicon Labs SI8422 和 SI8423 数字耦合器连接微控制器和 ADC 之间的数字线路。
电容式数字设备消耗的功率较低,同时提供高数据速率和低传播延迟。两款器件均支持高达 150 兆位/秒 (Mbits/s) 的数据速率。
在工业自动化应用中多系统存在处理模拟和数字传输信号的困难,光学、磁性和电容电隔离栅可应对这些挑战。通过组合使用这三种硬件技术和两种信号传输技术,可实现适合的工业自动化解决方案。
1 电流隔离栅
电流隔离是通过防止电压和接地之间产生电流来分隔电路的行为。以下是从两条或多条电路之间的直接连接形成的电流。在存在电流隔离情况下,没有直接的传导路径。此类型电路的好处在于,可通过使用光场、磁场或电场,利用电流隔离栅交换模拟或数字信息。这些场打开了很多门。通过其中的一个门,多个系统可以在不同的接地和电压电位下安全、正确地运行。它们还可以交换模拟或数字信息,而不会在过程中相互干扰或破坏。
为了解决这些问题,设计人员需要为多系统电路找到合适的电流隔离技术。选择有光学(LED,光电二极管)、电气(电容器)或磁性(电感器)解决方案。在本文中,所有隔离栅都在硅或半导体封装的某个部分中实现。
2 光学隔离
光学隔离依赖于传输光线的 LED 和接收光线的光电检测器之间的分离。对于电流隔离,LED 通过隔离材料(如透明聚酰亚胺)对准光电二极管。
光隔离的优势是不受电场和磁场的影响。但是,LED 在其使用寿命内会老化。
3 光隔离栅模拟信号应用
光隔离设备的隔离栅能够传输模拟或数字信号。Vishay Semiconductor Opto Division IL300 线性光耦合器是一种线性光隔离器件,封装内部有一个 LED 和两个光电二极管,所有元件之间彼此实现电隔离。在 IL300 芯片中,LED 光均匀照射在两个光电二极管上,以产生同等的电流(IP1 和 IP2)。
U1 放大器(Texas Instruments,TLV9064IDR)驱动 IL300 LED 以产生反馈光电二极管电流 (IP1)。前馈光电二极管电流 (IP2) 通过隔离式 R2 电阻器发送,该电阻器位于隔离式 U2 放大器的反馈环路中。在此电路中,增益等于 R2/R1。另外,Vout 信号不受 VCC1 相对 VCC2 的变化和两个接地的影响。
LED 亮度随时间的推移会降低。但是,图 4 中的系统不依赖于 LED 的亮度水平;它只要求 LED 打开。LED 光线由两个光电二极管平均地捕获。要将 IL300 应用于图 1 中的框图,人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间的位置可能较为适合。
4 光隔离栅的数字信号应用
光耦合器的另一个应用是将设备用作数字发射器。Vishay Semiconductor Opto Division 的 SFH6750-X007T 双通道光耦合器和 QT Brightek 的 QTM601T1 单通道光耦合器是高速光耦合器,采用开漏 NMOS 晶体管输出,可轻松隔离模数转换器 (ADC) 的三通道数字输出。
一个 24 位三角积分 (ΔƩ) 转换器的串行输出代码从电路的隔离侧传输到系统侧。SFH6750 在数字域中以光学方式完成此传输。
SFH6750 和 QTM601T1 配置提供高达 10 兆波特率 (MBd) 的传输速度,因而适合高速数据应用。从图 1 的框图中可以看出,ADC 接口可能适合放置于人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间。
5 电感隔离
电感隔离采用两个上下堆叠的线圈,线圈之间通过介电材料隔离开来。施加交流信号后会产生一个磁场,进而在次级线圈中产生一个电场。
6 电感线圈型隔离栅的电源应用
磁性隔离栅适用于模拟和电源隔离应用。作为电源转换器,Analog Devices 的 ADP1621ARMZ-R7 隔离式升压 DC-DC 控制器的电感器和外部电源 FET 分别为 T1 和 Q3。
Analog Devices ADUM3190ARQZ-RL7 高稳定度线性隔离式误差放大器提供了从 T1 的次级侧到初级侧的模拟反馈信号。整个电路的工作电压为 5 V 到 24 V,适用于标准工业电源。
7 电容隔离
电容隔离元件的构造包括紧密相邻的两块电容板,两板之间夹有电介质。二氧化硅 (SiO2) 材料可植入电容板之间,以产生这种隔离能力。在此配置中,SiO2 的击穿电压为 500 - 800 V/微米 (µm)。此类隔离器的典型距离为 27 µm,因此隔离栅隔离能力为 13.5 kV 至 21.6 kV。
电容隔离最适合于小空间应用。然而,其周边电路比光学和磁性解决方案更为复杂。
8 电容隔离栅的模拟应用
典型的电容模拟隔离器Texas Instruments AMC1301DWVRQ1 或 AMC1311DWV,接收模拟信号,将信号调制为数字表示,然后通过隔离栅传输数字化信号。
在隔离栅的接收器侧,信号被解调回差分输出模拟信号。
电机控制环境中的电感负载易受高开关电压摆动的影响。为确保正常运行,需要不断监控此频繁变化的环境。使用电阻分压器降低电机驱动电路中的高共模电压的隔离电压检测,就是相应的 AMC1301 和 AMC1311 隔离放大器电机控制应用。
通过分流电阻器 RSHUNT 和 AMC1301 隔离式放大器实现相电流测量。凭借高阻抗输入和高共模瞬态抗扰度,AMC1311 可感测偏置电压 VBIAS,从而实现系统配置的稳定读取。即使在高噪声环境下,AMC1311 也能确保可靠性和准确度,例如电机驱动器中所用变频器的功率级读取。
AMC1301 和 AMC1311 均可抗电磁干扰,并具有高达 7 kVPEAK 的电流隔离能力。当与隔离式电源配合使用时,AMC1301 和 AMC1311 可防止高共模电压线路的噪声电流进入本地接地,以免干扰或损坏敏感电路。
9 电容隔离栅的数字应用
在准备将直流信号传输至输出引脚的过程中,典型电容式数字隔离器接收数字信号,将信号调制为适当的交流信号,然后发送至解调器。
在工业自动化应用中多系统存在处理模拟和数字传输信号的困难,光学、磁性和电容电隔离栅可应对这些挑战。通过组合使用这三种硬件技术和两种信号传输技术,可实现适合的工业自动化解决方案。
免责声明:本文若是转载新闻稿,转载此文目的是在于传递更多的信息,版权归原作者所有。文章所用文字、图片、视频等素材如涉及作品版权问题,请联系本网编辑予以删除。
我要投稿
近期活动
- 仪器使用操作视频教程时间:2023年12月31日 - 2024年01月31日[立即参与]
- 安森美汽车&能源基础设施白皮书下载时间:2023年04月03日 - 2023年11月30日[立即参与]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年08月01日 - 2023年08月31日[查看回顾]
- 【在线答题活动】PI 智能家居热门产品,带您领略科技智慧家庭时间:2023年06月15日 - 2023年07月15日[查看回顾]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年06月01日 - 2023年06月30日[查看回顾]
分类排行榜
- 汽车电子电源行业可靠性要求,你了解多少?
- 内置可编程模拟功能的新型 Renesas Synergy™ 低功耗 S1JA 微控制器
- Vishay 推出高集成度且符合 IrDA® 标准的红外收发器模块
- ROHM 发布全新车载升降压电源芯片组
- 艾迈斯半导体推出行业超薄的接近/颜色传感器模块,助力实现无边框智能手机设计
- 艾迈斯半导体与 Qualcomm Technologies 集中工程优势开发适用于手机 3D 应用的主动式立体视觉解决方案
- 维谛技术(Vertiv)同时亮相南北两大高端峰会,精彩亮点不容错过
- 缤特力推出全新商务系列耳机 助力解决开放式办公的噪音难题
- CISSOID 和泰科天润(GPT)达成战略合作协议,携手推动碳化硅功率器件的广泛应用
- 瑞萨电子推出 R-Car E3 SoC,为汽车大显示屏仪表盘带来高端3D 图形处理性能
编辑推荐
小型化和稳定性如何兼得?ROHM 推出超小型高输出线性 LED 驱动器 IC,为插座型 LED 驱动 IC 装上一颗强有力的 “心脏”
众所周知,LED的驱动IC担负着在输入电压不稳定的情况下,为LED提供恒定的电流,并控制恒定(可调)亮度的作用。无论是室内照明,还是车载应用,都肩负着极为重要的使命。
- 关于反激电源效率的一个疑问
时间:2022-07-12 浏览量:9682
- 面对热拔插阐述的瞬间大电流怎么解决
时间:2022-07-11 浏览量:8438
- PFC电路对N线进行电压采样的目的是什么
时间:2022-07-08 浏览量:9054
- RCD中的C对反激稳定性有何影响
时间:2022-07-07 浏览量:6854
- 36W单反激 传导7~10M 热机5分钟后超标 不知道哪里出了问题
时间:2022-07-07 浏览量:5592
- PFC电感计算
时间:2022-07-06 浏览量:3813
- 多相同步BUCK
时间:2010-10-03 浏览量:37799
- 大家来讨论 系列之二:开机浪涌电流究竟多大?
时间:2016-01-12 浏览量:43081
- 目前世界超NB的65W适配器
时间:2016-09-28 浏览量:59956
- 精讲双管正激电源
时间:2016-11-25 浏览量:127245
- 利用ANSYS Maxwell深入探究软磁体之----电感变压器
时间:2016-09-20 浏览量:107361
- 【文原创】认真的写了一篇基于SG3525的推挽,附有详细..
时间:2015-08-27 浏览量:99865