隔离芯片CMTI及应用意义

印宁华|Indining China|

2024-09-19 11:40:56 670

什么是共模瞬变抗扰度

共模瞬变抗扰度规定了应用在绝缘临界状态下的瞬变脉冲上升和下降的速率。如果超过该速率，可能导致对数据或时钟的损坏。脉冲的变化率和*共模电压都会记录。

新的隔离调制器在静态和动态CMTI：Common mode transient immunity（共模瞬变抗扰度）条件下进行了测试。静态测试检测来自器件的单个位错误。动态测试监测滤波后的数据输出，以观察在CMTI脉冲随机应用中的噪声性能变化。详细测试框图如下图所示。

CMTI之所以重要，是因为高压摆率(高频)瞬变可能会破坏跨越隔离栅的数据传输。了解并测量这些瞬变对器件的影响至关重要。

数字隔离器广泛应用于数字电源、工业控制设备、新能源汽车和智能家电等领域，这些应用环境都要求数字隔离器在受到各种电磁干扰的情况下，依然能可靠传输数据。数字隔离器在承受电磁干扰情况下可靠传输数据的能力可以通过共模瞬态抑制比、工频磁场抗扰度和脉冲磁场抗扰度等指标进行评价。

CMTI概述及测试背景

CMTI：是指对施加在隔离电路间的高速瞬变共模电压的上升/下降容许速率dVcm/dt，通常以kV/μs或V/ns表示。如下图示：

CMTI指出了隔离电路对高速瞬变信号穿过隔离层而破坏输出状态的抑制能力，也体现隔离电路对快速瞬态信号干扰的敏感性。更高的CMTI指标意味着隔离电路/器件在以其限定的测试条件下（例如IN=VCCI or GNDI，Vcm=1200V）可以在更高的上升或下降速率共模电压冲击隔离屏障时能保证输出（OUT）没有发生错误。

CMTI测试需求及应用

随着新一代宽禁带半导体器件（如SiC和GaN）的普及，与传统的MOSFET和IGBT 相比，设备和应用需要更高的开关频率，在导通/关断瞬变期间会出现更高瞬变电压的边沿速率。高性能隔离器的CMTI额定值很容易达到100V/ns，许多CMTI测试的结果都超过200V/ns。使用低CMTI 隔离器在高dVcm/dt环境中预期会出现信号完整性问题，这在特定的环境比如电机驱动或太阳能逆变器等应用场景中，任何的脉冲抖动、失真、运行不稳定或脉冲信息丢失都会对数据完整性产生重大影响，可能导致危险的短路事件。CMTI的测试在这类隔离电路中尤其是在具备隔离功能的芯片指标测试中变得非常重要。

测试原理及方法

CMTI的测试基于IEC 60747-17:2020标准。分为静态测试和动态测试。

静态CMTI测试

静态是指把输入引脚连逻辑高电平或者低电平，然后模拟施加共模瞬变CMT，理论上在CMTI规格以内的冲击都无法改变输出状态。

动态CMTI测试

和静态CMTI的要求一样，在动态共模瞬变CMT的冲击下，输出也应当保持正常，如果CMTI的能力不够强，会出现类似missing pulse, excessive propagation delay, high or low error或者output latch的错误。

静态CMTI测量

动态CMTI测量

鉴于高速瞬变且高共模电压的测试环境，推荐使用高带宽且全频段CMRR优异的示波器测试系统对隔离器件的CMTI能力及隔离电路信号稳定性做测量，测试连接如下：

隔离电路的CMTI能力测试示意图

CMTI推荐测试方案

CMTI在应用中的意义

高噪声瞬变会导致栅极驱动器失去信号完整性或者“毛刺”，从而导致系统调制失败;或者更糟的是生成一个伪信号，其可能触发两个功率MOSFET同时接通，从而引发危险的电气短路情况。高瞬变也可能造成栅极驱动器进入一种*的闩锁状态，这也会引发危险情况。

控制电源开关的栅极驱动器的设计必须能够承受这些噪声瞬变，同时不会造成毛刺或闩锁。驱动器承受这些共模噪声瞬变的能力被定义为CMTI，它由大多数厂商通常列在其产品数据手册中的一项规格来定义，并以kV/μs为单位来表示。这种瞬态通常是由开关节点上的高dV/dt引起的。如下图以光伏逆变器系统为例，隔离驱动器有一侧的地是悬浮的并且快速切换的。这里CMTI是一个关键指标，如果CMTI能力不够，可能会导致输出错误，可能会出现电路短路，影响系统安全。对其他应用比如电机驱动器，变频器是如此。

典型光伏逆变器系统

为了减少开关损耗而缩短上升下降时间，对CMTI的要求会变高。另外为了提高功率密度节省成本，很多新的平台会考虑提高开关频率，甚至采用SiC或GaN，这同样会带来CMTI需求的变大。具有高CMTI的器件在干扰大的环境中， EMC/EMI的性能会更好。比如一个1500V的变频器，64kHz的开关频率，50-ns的上升/下降时间需要最少30-V/ns的CMTI，建议选择40V/ns以上。

在隔离电源转换器系统中，栅极驱动器需要被隔离以保持从首级侧到次级侧的隔离完整性。栅极驱动器通常为功率FET的栅极提供高达4A的开关电流。对于给定的FET栅极电容，电流驱动能力越强，开关速率就越快。下图显示了一个隔离栅极驱动器的简单原理图其连接至一个电压达400V的功率FET的栅极。

隔离栅极驱动器解决方案

?结隔离驱动器

结隔离驱动器有一个浮动的高压侧驱动器去适应高电压线路。对于这样的设备而言，最高额定电压约为600V。通常情况下，这些产品经济实惠，但具有较小的瞬变抑制力，很容易闩锁，从而造成*损坏或安全危害。一般来说，用于支持信号完整性的CMTI规格是在10kV/μs范围之内，而用于支持闩锁抗扰的CMTI规格是在50 kV/μs范围之内。

光耦合驱动器

光耦合栅极驱动器都被真正地隔离(相对于浮动的高压侧驱动器)，而且它们已经存在了相当长的一段时间。典型光耦合驱动器的CMTI规格在10-20 kV/μs之间，而最新产品则拥有大为改善的性能，其CMTI值达到50 kV/μs(最小值)。

电容耦合变压器耦合驱动器

除了结驱动器或光耦合驱动器之外，诸如电容耦合或变压器耦合解决方案等技术，也使性能提升了一大截。

实现可能的最快开关速率同时确保安全性——电容耦合和变压器耦合驱动器的最大优势在于，他们能够承受极高的噪声瞬变，而又不会丢失数据并不会被闩锁。一些最新的变压器耦合栅极驱动器的CMTI规范为50 kV/μs(最小值)，而这仍然不能满足我们所考虑的最高效率系统。最新的电容耦合解决方案支持信号完整性的CMTI为200 kV/μs(最小值)，支持闩锁抗扰的CMTI为400 kV/μs(最大值)。这是业界*的性能，且最适合当今的新型高频系统设计。

使用电容耦合隔离驱动器非常快速(低延迟)，并且信道之间和器件之间的一致性优于其它解决方案。与一些*的光耦栅极驱动器相比，其传输时延(延迟)性能要好10倍之多，同时器件之间的一致性也要好10倍甚至更多。这种一致性为设计人员提供了另一项关键优势——系统的整体调制方案可以进行微调以实现最高效率和安全性，而无需去适应规格变动。

这些驱动器还允许较低电压操作(相比5V的2.5V)，以及更宽的工作温度范围-40℃至125℃，而光耦合驱动器仅为-40℃至105℃。此类驱动器还提供其它先进的特性，例如输入噪声滤波器、异步关断能力，以及在同一个封装中的诸如半桥或双通道独立驱动器等多种配置。

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