什么是共模瞬變抗擾度

共模瞬變抗擾度規(guī)定了應(yīng)用在絕緣臨界狀態(tài)下的瞬變脈沖上升和下降的速率。如果超過該速率，可能導(dǎo)致對(duì)數(shù)據(jù)或時(shí)鐘的損壞。脈沖的變化率和[敏感詞]共模電壓都會(huì)記錄。

新的隔離調(diào)制器在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)CMTI：Common mode transient immunity（共模瞬變抗擾度）條件下進(jìn)行了測試。靜態(tài)測試檢測來自器件的單個(gè)位錯(cuò)誤。動(dòng)態(tài)測試監(jiān)測濾波后的數(shù)據(jù)輸出，以觀察在CMTI脈沖隨機(jī)應(yīng)用中的噪聲性能變化。詳細(xì)測試框圖如下圖所示。

CMTI之所以重要，是因?yàn)楦邏簲[率(高頻)瞬變可能會(huì)破壞跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。了解并測量這些瞬變對(duì)器件的影響至關(guān)重要。

數(shù)字隔離器廣泛應(yīng)用于數(shù)字電源、工業(yè)控制設(shè)備、新能源汽車和智能家電等領(lǐng)域，這些應(yīng)用環(huán)境都要求數(shù)字隔離器在受到各種電磁干擾的情況下，依然能可靠傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字隔離器在承受電磁干擾情況下可靠傳輸數(shù)據(jù)的能力可以通過共模瞬態(tài)抑制比、工頻磁場抗擾度和脈沖磁場抗擾度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

CMTI概述及測試背景

CMTI：是指對(duì)施加在隔離電路間的高速瞬變共模電壓的上升/下降容許速率dVcm/dt，通常以kV/μs或V/ns表示。如下圖示：

CMTI指出了隔離電路對(duì)高速瞬變信號(hào)穿過隔離層而破壞輸出狀態(tài)的抑制能力，也體現(xiàn)隔離電路對(duì)快速瞬態(tài)信號(hào)干擾的敏感性。更高的CMTI指標(biāo)意味著隔離電路/器件在以其限定的測試條件下（例如IN=VCCI or GNDI，Vcm=1200V）可以在更高的上升或下降速率共模電壓沖擊隔離屏障時(shí)能保證輸出（OUT）沒有發(fā)生錯(cuò)誤。

CMTI測試需求及應(yīng)用

隨著新一代寬禁帶半導(dǎo)體器件（如SiC和GaN）的普及，與傳統(tǒng)的MOSFET和IGBT 相比，設(shè)備和應(yīng)用需要更高的開關(guān)頻率，在導(dǎo)通/關(guān)斷瞬變期間會(huì)出現(xiàn)更高瞬變電壓的邊沿速率。高性能隔離器的CMTI額定值很容易達(dá)到100V/ns，許多CMTI測試的結(jié)果都超過200V/ns。使用低CMTI 隔離器在高dVcm/dt環(huán)境中預(yù)期會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性 問題，這在特定的環(huán)境比如電機(jī)驅(qū)動(dòng)或太陽能逆變器等應(yīng)用場景中，任何的脈沖抖動(dòng)、失真、運(yùn)行不穩(wěn)定或脈沖信息丟失都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)完整性產(chǎn)生重大影響，可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的短路事件。CMTI的測試在這類隔離電路中尤其是在具備隔離功能的芯片指標(biāo)測試中變得非常重要。

測試原理及方法

CMTI的測試基于IEC 60747-17:2020標(biāo)準(zhǔn)。分為靜態(tài)測試 和動(dòng)態(tài)測試。

靜態(tài)CMTI測試

靜態(tài)是指把輸入引腳連邏輯高電平或者低電平，然后模擬施加共模瞬變CMT，理論上在CMTI規(guī)格以內(nèi)的沖擊都無法改變輸出狀態(tài)。

動(dòng)態(tài)CMTI測試

和靜態(tài)CMTI的要求一樣，在動(dòng)態(tài)共模瞬變CMT的沖擊下，輸出也應(yīng)當(dāng)保持正常，如果CMTI的能力不夠強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)類似missing pulse, excessive propagation delay, high or low error或者output latch的錯(cuò)誤。

靜態(tài)CMTI測量

動(dòng)態(tài)CMTI測量

鑒于高速瞬變且高共模電壓的測試環(huán)境 ，推薦使用高帶寬且全頻段CMRR優(yōu)異的示波器測試系統(tǒng)對(duì)隔離器件的CMTI能力及隔離電路信號(hào)穩(wěn)定性做測量，測試連接如下：

CMTI推薦測試方案

CMTI在應(yīng)用中的意義

高噪聲瞬變會(huì)導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)器失去信號(hào)完整性或者“毛刺”，從而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)制失敗;或者更糟的是生成一個(gè)偽信號(hào)，其可能觸發(fā)兩個(gè)功率MOSFET同時(shí)接通，從而引發(fā)危險(xiǎn)的電氣短路情況。高瞬變也可能造成柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入一種[敏感詞]的閂鎖狀態(tài)，這也會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)情況。

控制電源開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)必須能夠承受這些噪聲瞬變，同時(shí)不會(huì)造成毛刺或閂鎖。驅(qū)動(dòng)器承受這些共模噪聲瞬變的能力被定義為CMTI，它由大多數(shù)廠商通常列在其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中的一項(xiàng)規(guī)格來定義，并以kV/μs為單位來表示。這種瞬態(tài)通常是由開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的高dV/dt引起的。如下圖以光伏逆變器系統(tǒng)為例，隔離驅(qū)動(dòng)器有一側(cè)的地是懸浮的并且快速切換的。這里CMTI是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，如果CMTI能力不夠，可能會(huì)導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤，可能會(huì)出現(xiàn)電路短路，影響系統(tǒng)安全。對(duì)其他應(yīng)用比如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，變頻器是如此。

典型光伏逆變器系統(tǒng)

為了減少開關(guān)損耗而縮短上升下降時(shí)間，對(duì)CMTI的要求會(huì)變高。另外為了提高功率密度節(jié)省成本，很多新的平臺(tái)會(huì)考慮提高開關(guān)頻率，甚至采用SiC或GaN，這同樣會(huì)帶來CMTI需求的變大。具有高CMTI的器件在干擾大的環(huán)境中， EMC/EMI的性能會(huì)更好。比如一個(gè)1500V的變頻器，64kHz的開關(guān)頻率，50-ns的上升/下降時(shí)間需要最少30-V/ns的CMTI， 建議選擇40V/ns以上。

在隔離電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動(dòng)器需要被隔離以保持從首級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的隔離完整性。柵極驅(qū)動(dòng)器通常為功率FET的柵極提供高達(dá)4A的開關(guān)電流。對(duì)于給定的FET柵極電容，電流驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，開關(guān)速率就越快。下圖顯示了一個(gè)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的簡單原理圖其連接至一個(gè)電壓達(dá)400V的功率FET的柵極。

隔離柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案

?結(jié)隔離驅(qū)動(dòng)器

結(jié)隔離驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)浮動(dòng)的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器去適應(yīng)高電壓線路。對(duì)于這樣的設(shè)備而言，[敏感詞]額定電壓約為600V。通常情況下，這些產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但具有較小的瞬變抑制力，很容易閂鎖，從而造成[敏感詞]損壞或安全危害。一般來說，用于支持信號(hào)完整性的CMTI規(guī)格是在10kV/μs范圍之內(nèi)，而用于支持閂鎖抗擾的CMTI規(guī)格是在50 kV/μs范圍之內(nèi)。

光耦合驅(qū)動(dòng)器

光耦合柵極驅(qū)動(dòng)器都被真正地隔離(相對(duì)于浮動(dòng)的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器)，而且它們已經(jīng)存在了相當(dāng)長的一段時(shí)間。典型光耦合驅(qū)動(dòng)器的CMTI規(guī)格在10-20 kV/μs之間，而[敏感詞]產(chǎn)品則擁有大為改善的性能，其CMTI值達(dá)到50 kV/μs(最小值)。

電容耦合 變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器

除了結(jié)驅(qū)動(dòng)器或光耦合驅(qū)動(dòng)器之外，諸如電容耦合或變壓器耦合解決方案等技術(shù)，也使性能提升了一大截。

實(shí)現(xiàn)可能的最快開關(guān)速率同時(shí)確保安全性——電容耦合和變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器的[敏感詞]優(yōu)勢在于，他們能夠承受極高的噪聲瞬變，而又不會(huì)丟失數(shù)據(jù)并不會(huì)被閂鎖。一些[敏感詞]的變壓器耦合柵極驅(qū)動(dòng)器的CMTI規(guī)范為50 kV/μs(最小值)，而這仍然不能滿足我們所考慮的[敏感詞]效率系統(tǒng)。[敏感詞]的電容耦合解決方案支持信號(hào)完整性的CMTI為200 kV/μs(最小值)，支持閂鎖抗擾的CMTI為400 kV/μs([敏感詞]值)。這是業(yè)界領(lǐng)先的性能，且最適合當(dāng)今的新型高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

使用電容耦合隔離驅(qū)動(dòng)器非常快速(低延遲)，并且信道之間和器件之間的一致性優(yōu)于其它解決方案。與一些流行的光耦柵極驅(qū)動(dòng)器相比，其傳輸時(shí)延(延遲)性能要好10倍之多，同時(shí)器件之間的一致性也要好10倍甚至更多。這種一致性為設(shè)計(jì)人員提供了另一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢——系統(tǒng)的整體調(diào)制方案可以進(jìn)行微調(diào)以實(shí)現(xiàn)[敏感詞]效率和安全性，而無需去適應(yīng)規(guī)格變動(dòng)。

這些驅(qū)動(dòng)器還允許較低電壓操作(相比5V的2.5V)，以及更寬的工作溫度范圍-40℃至125℃，而光耦合驅(qū)動(dòng)器僅為-40℃至105℃。此類驅(qū)動(dòng)器還提供其它先進(jìn)的特性，例如輸入噪聲濾波器、異步關(guān)斷能力，以及在同一個(gè)封裝中的諸如半橋或雙通道獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器等多種配置。

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