数字容性隔离器的磁场抗扰度 - 德州仪器.pdf

数字容性隔离器的磁场抗扰度 作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器 (TI) 高级应用工程师 数字容性隔离器的应用环境通常包括一些大型电动马达、发电机以及其他产生强 电磁场的设备。暴露在这些磁场中，可引起潜在的数据损坏问题，因为电势（EMF， 即这些磁场形成的电压）会干扰数据信号传输。由于存在这种潜在威胁，因此许 多数字隔离器用户都要求隔离器具备高磁场抗扰度 (MFI) 。许多数字隔离器技术 都声称具有高 MFI ，但容性隔离器却因其设计和内部结构拥有几乎无穷大的 MFI 。本文将对其设计进行详细的介绍。 一些基本物理定则 诸如电动机的电源线等带电导体，其周围便是一个由流经它的电流形成的磁场。 应用右手定则（请参见图 1 ），我们很容易便可以确定该磁场的方向。该定则的 内容如下：用右手握住导体，然后拇指指向电流的方向，这时环绕导体的手指便 指向磁场的方向。因此，磁通线的平面始终与电流垂直。 图 1 显示了 DC 电流的磁通密度 B 。就 AC 电流而言，将右手定则用于两个 方向，磁场和 AC 电流都随同一个频率 f 而变化：B(f) ~ I(f) 。磁场（或者更加 精确的说法是磁通密度及其相应磁场强度）随导体中心轴距离的增加而减弱。这 些关系可以表示为： 以及 2 其中，B 为以第平方米伏秒 (V•s/m ) 表示的磁通密度，μ0 为自由空间中的磁导 率（计算方法为 4π × 10–7 V•s/A•m ），I 为以安培为单位的电流，r 为以米为单 位的导体距离，而 H 为以安培每米 (A/m) 为单位的磁场强度。 图 1 右手定则 磁场线穿过附近导体环路时，它们会产生一个 EMF，其强度大小取决于环路面 积和通量密度及磁场频率： EMF 为以伏特为单位的电势，f 为磁场频率，而 A 为以平方米 (m2) 为单位的 环路面积。 所有隔离器都有一定形状或者形式的导电环路，以让磁场线穿过并产生 EMF 。 如果强度足够大，则这种叠加到信号电压上的 EMF 就会导致错误数据传输。实 际上，一些隔离技术对电磁干扰非常敏感。为了理解容性隔离器为什么不受磁场 的影响，我们需要对其内部结构进行研究。 容性隔离器的结构 容性隔离器由两块硅芯片—一个发送器和一个接收机组成（请参见图 2 ）。数据 传输在由两个电容构成的差动隔离层之间进行，在每个电容的二氧化硅 (SiO2) 电介质两端都有一块铜顶片和一个导电硅底片。发送器芯片的驱动器输出通过一 些接合线连接到接收机芯片上隔离电容的顶片。通过将电容的底片连接接收机输 入构成了一个导电环路。图 3 显示了隔离层的等效电路结构图，并标示出了金 接合线之间的环路区域。很明显，穿过该环路的磁场将会产生一个 EMF ，其表 示下面 RC 网络的输入电压噪声 Vn 1 。我们常常碰到的第二种差动噪声部分 Vn2 ，其产生原因是共模噪声到差动噪声的转换。两个噪声分量共同组成了综合 噪声 V 。如果只考虑 EMF 的影响，则可以保守地将 V 一分为二： n