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隔離芯片CMTI及應用意義

印寧華|Indining China|

2024-09-19 11:43:17 742

什么是共模瞬變抗擾度

共模瞬變抗擾度規定了應用在絕緣臨界狀態下的瞬變脈沖上升和下降的速率。如果超過該速率，可能導致對數據或時鐘的損壞。脈沖的變化率和*共模電壓都會記錄。

新的隔離調制器在靜態和動態CMTI：Common mode transient immunity（共模瞬變抗擾度）條件下進行了測試。靜態測試檢測來自器件的單個位錯誤。動態測試監測濾波后的數據輸出，以觀察在CMTI脈沖隨機應用中的噪聲性能變化。詳細測試框圖如下圖所示。

CMTI之所以重要，是因為高壓擺率(高頻)瞬變可能會破壞跨越隔離柵的數據傳輸。了解并測量這些瞬變對器件的影響至關重要。

數字隔離器廣泛應用于數字電源、工業控制設備、新能源汽車和智能家電等領域，這些應用環境都要求數字隔離器在受到各種電磁干擾的情況下，依然能可靠傳輸數據。數字隔離器在承受電磁干擾情況下可靠傳輸數據的能力可以通過共模瞬態抑制比、工頻磁場抗擾度和脈沖磁場抗擾度等指標進行評價。

CMTI概述及測試背景

CMTI：是指對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指出了隔離電路對高速瞬變信號穿過隔離層而破壞輸出狀態的抑制能力，也體現隔離電路對快速瞬態信號干擾的敏感性。更高的CMTI指標意味著隔離電路/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能保證輸出（OUT）沒有發生錯誤。

CMTI測試需求及應用

隨著新一代寬禁帶半導體器件（如SiC和GaN）的普及，與傳統的MOSFET和IGBT 相比，設備和應用需要更高的開關頻率，在導通/關斷瞬變期間會出現更高瞬變電壓的邊沿速率。高性能隔離器的CMTI額定值很容易達到100V/ns，許多CMTI測試的結果都超過200V/ns。使用低CMTI 隔離器在高dVcm/dt環境中預期會出現信號完整性問題，這在特定的環境比如電機驅動或太陽能逆變器等應用場景中，任何的脈沖抖動、失真、運行不穩定或脈沖信息丟失都會對數據完整性產生重大影響，可能導致危險的短路事件。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標準。分為靜態測試和動態測試。

靜態CMTI測試

靜態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規格以內的沖擊都無法改變輸出狀態。

動態CMTI測試

和靜態CMTI的要求一樣，在動態共模瞬變CMT的沖擊下，輸出也應當保持正常，如果CMTI的能力不夠強，會出現類似missing pulse, excessive propagation delay, high or low error或者output latch的錯誤。

靜態CMTI測量

動態CMTI測量

鑒于高速瞬變且高共模電壓的測試環境，推薦使用高帶寬且全頻段CMRR優異的示波器測試系統對隔離器件的CMTI能力及隔離電路信號穩定性做測量，測試連接如下：

隔離電路的CMTI能力測試示意圖

CMTI推薦測試方案

CMTI在應用中的意義

高噪聲瞬變會導致柵極驅動器失去信號完整性或者“毛刺”，從而導致系統調制失敗;或者更糟的是生成一個偽信號，其可能觸發兩個功率MOSFET同時接通，從而引發危險的電氣短路情況。高瞬變也可能造成柵極驅動器進入一種*的閂鎖狀態，這也會引發危險情況。

控制電源開關的柵極驅動器的設計必須能夠承受這些噪聲瞬變，同時不會造成毛刺或閂鎖。驅動器承受這些共模噪聲瞬變的能力被定義為CMTI，它由大多數廠商通常列在其產品數據手冊中的一項規格來定義，并以kV/μs為單位來表示。這種瞬態通常是由開關節點上的高dV/dt引起的。如下圖以光伏逆變器系統為例，隔離驅動器有一側的地是懸浮的并且快速切換的。這里CMTI是一個關鍵指標，如果CMTI能力不夠，可能會導致輸出錯誤，可能會出現電路短路，影響系統安全。對其他應用比如電機驅動器，變頻器是如此。

典型光伏逆變器系統

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

在隔離電源轉換器系統中，柵極驅動器需要被隔離以保持從首級側到次級側的隔離完整性。柵極驅動器通常為功率FET的柵極提供高達4A的開關電流。對于給定的FET柵極電容，電流驅動能力越強，開關速率就越快。下圖顯示了一個隔離柵極驅動器的簡單原理圖其連接至一個電壓達400V的功率FET的柵極。

隔離柵極驅動器解決方案

?結隔離驅動器

結隔離驅動器有一個浮動的高壓側驅動器去適應高電壓線路。對于這樣的設備而言，最高額定電壓約為600V。通常情況下，這些產品經濟實惠，但具有較小的瞬變抑制力，很容易閂鎖，從而造成*損壞或安全危害。一般來說，用于支持信號完整性的CMTI規格是在10kV/μs范圍之內，而用于支持閂鎖抗擾的CMTI規格是在50 kV/μs范圍之內。

光耦合驅動器

光耦合柵極驅動器都被真正地隔離(相對于浮動的高壓側驅動器)，而且它們已經存在了相當長的一段時間。典型光耦合驅動器的CMTI規格在10-20 kV/μs之間，而最新產品則擁有大為改善的性能，其CMTI值達到50 kV/μs(最小值)。

電容耦合變壓器耦合驅動器

除了結驅動器或光耦合驅動器之外，諸如電容耦合或變壓器耦合解決方案等技術，也使性能提升了一大截。

實現可能的最快開關速率同時確保安全性——電容耦合和變壓器耦合驅動器的最大優勢在于，他們能夠承受極高的噪聲瞬變，而又不會丟失數據并不會被閂鎖。一些最新的變壓器耦合柵極驅動器的CMTI規范為50 kV/μs(最小值)，而這仍然不能滿足我們所考慮的最高效率系統。最新的電容耦合解決方案支持信號完整性的CMTI為200 kV/μs(最小值)，支持閂鎖抗擾的CMTI為400 kV/μs(最大值)。這是業界*的性能，且最適合當今的新型高頻系統設計。

使用電容耦合隔離驅動器非常快速(低延遲)，并且信道之間和器件之間的一致性優于其它解決方案。與一些*的光耦柵極驅動器相比，其傳輸時延(延遲)性能要好10倍之多，同時器件之間的一致性也要好10倍甚至更多。這種一致性為設計人員提供了另一項關鍵優勢——系統的整體調制方案可以進行微調以實現最高效率和安全性，而無需去適應規格變動。

這些驅動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℃，而光耦合驅動器僅為-40℃至105℃。此類驅動器還提供其它先進的特性，例如輸入噪聲濾波器、異步關斷能力，以及在同一個封裝中的諸如半橋或雙通道獨立驅動器等多種配置。

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