CN104852556B - 对跨越隔离隔栅的通信中的瞬变进行抑制 - Google Patents

对跨越隔离隔栅的通信中的瞬变进行抑制 Download PDF

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Abstract

通过使用与接收电路耦合的共模瞬变抑制电路来抑制使用光学、磁性、电感或其他机制而从隔离隔栅的发射侧传送并被接收电路接收的信号中的瞬变，可以改善隔离系统的共模瞬变免疫性。

Description

对跨越隔离隔栅的通信中的瞬变进行抑制
相关申请的交叉引用
本申请基于35U.S.C.§119(e)要求享有2013年12月19日提交的美国临时申请No.61/918,416的优先权，其中在这里引入该申请以作为参考。
技术领域
本申请涉及隔离隔栅，尤其涉及的是抑制跨越隔离隔栅的通信中的共模瞬变。
背景技术
在诸如电压转换器之类的很多应用中都可以发现隔离隔栅(isolationbarrier)。隔离隔栅指的是介于两个域之间的电隔离。由于两个域之间在正常工作过程中会存在很大的DC或瞬变电压差，因此需要此类隔离。举例来说，其中一个域有可能被“接地”在某个电压，该电压相对于大地接地而言正在发生数百或数千伏的转换。需要此类隔离的另一个原因是基于安全性的考虑，即使正常工作过程中在域之间的预期电压差很小的时候也有需要。这方面的一个示例出现在生物医学应用中，其中在病人的身体上贴有电极，尽管测量设备应该是恰当接地的，然而出于安全性的考虑，在病人与测量设备之间需要具有一个额外的保护层。
隔离隔栅通常由具有良好击穿属性的电介质层构成。通常，跨越隔离隔栅的通信是用光学(光隔离器)、电感(变压器)解决方案进行的，或者是通过用电容隔离电路来跨隔离隔栅传送信息来进行的。然而，此类通信易受共模瞬变的影响，并且该共模瞬变有可能干扰跨通道传送的信息的精度。
因此，如果提供对于共模瞬变的免疫性更强的隔离技术，那么将会是非常理想的。
发明内容
相应地，在一个实施例中，提供了一种设备，包括：接收电路，用于从可用于执行跨隔离隔栅的通信的隔离通信通道接收信号以及提供一个接收电路输出信号。在该接收电路上耦合了一个共模瞬变抑制电路，以便抑制接收电路输出信号中的瞬变。
在另一个实施例中，提供了一种方法，包括：接收所传送的用于执行跨隔离隔栅的通信的信号；以及抑制接收信号中事件长度小于预定时间长度的瞬变。
在另一个实施例中，提供了一种隔离设备，包括：发射电路，其耦合在隔离隔栅的发射侧上，以便接收输入信号以及提供一个被传递至隔离隔栅的接收侧上的接收电路的信号。该隔离设备还包括：接收电路，用于在隔离隔栅的接收侧接收信号，以及共模瞬变抑制电路，其与接收电路相耦合，以便在接收电路所接收的信号中的瞬变的事件长度小于预定时间量的情况下抑制所述瞬变。
附图说明
通过参考附图，可以更好地理解本发明，对本领域技术人员来说，通过参考附图，关于本发明的众多目标、特征和优点都是显而易见的。
图1示出的是具有隔离隔栅的栅极驱动器电路。
图2示出的是与图1中的栅极驱动器电路相关的时序图。
图3示出的是可能与图1的栅极驱动器电路相关联的瞬变的时序图。
图4示出的是光隔离器以及与之关联的瞬变的来源。
图5示出的是可以与瞬变事件相关联的定时。
图6示出的是带有瞬变抑制电路的栅极驱动器电路的例示实施例。
图7示出的是瞬变抑制电路的例示实施例。
图8示出的是图7中的瞬变抑制电路在面对瞬变时的操作。
图9示出的是根据一个实施例的具有瞬变抑制电路的光隔离器。
图10示出的是根据一个实施例的基于变压器的隔离系统，其中该系统可用于取代带有瞬变抑制电流源的光隔离器。
图11示出的是根据一个实施例的基于电容性的隔离系统，其中该系统可用于取代带有瞬变抑制电路的光隔离器。
图12示出的是根据一个实施例的带有瞬变抑制电路的可编程逻辑控制器。
在不同的附图中使用了相同的参考符号来指示相似或相同的项目。
具体实施方式
在用于开关电源的隔离栅极驱动器电路中，具有高共模瞬变免疫性(CMTI)的电路是非常必要的。逻辑高/低电平的CMTI是用于确保输出保持在有效的高/低电平状态的随时间推移的共模电压的最大可容忍变化。在过去，大小为20-50kV/μs的CMTI电平即已足够，但随着新的功率FET技术的出现，所需要的电平有可能高达200kV/μs。在开关电源中，当如果发生高共模事件，那么共模瞬变有可能会显示为栅极驱动器中的瞬变。这个问题是参考图1-图3示出的。参考图1，该图示出的是一个开关电源系统100。在系统100中，功率MOSFET晶体管M1和M2是在不同的时间接通的。节点OUT根据脉宽调制(PWM)信号107而在400V与0V之间切换。栅极驱动器103使用栅极控制信号G1来驱动M1，并且栅极驱动器105使用栅极控制信号G2来驱动M2。为了接通M2，栅极电压G2被驱动至一个大小为OUT+10V到OUT+30V的电压。此外，为了接通M1，栅极电压G1被驱动至一个通常介于10V与30V之间的电压。通过使用高压隔离隔栅111，可以使栅极驱动器105与输入PWM信号相隔离。
高电压隔离技术可以采取不同的类型，例如光隔离器、变压器、电容性隔离或高压晶体管。在施加了极快的共模瞬变时，这其中的每一种隔离技术都存在限制，并且有可能在输出上产生不希望的瞬变。图2示出的是与图1中的电路关联的常规时序图。PWM信号107被供应给输入电路109，该输入电路109向栅极驱动器103提供控制信号，并且通过高压隔离隔栅111来将控制信号提供给栅极驱动器105。应该指出的是，在G1变为低电平之后以及在G2变为高电平之前，OUT会发生轻微的转变。此外还应该指出，对于下降沿而言，在G2变为低电平之后以及在G1变为高电平之前，OUT会发生轻微的转变。当G1和G2全都变为低电平时，OUT将会发生转变。
图3示出的是由与高压隔离隔栅相关联的共模瞬变可能引发的输出信号失真的一个示例。瞬变301有可能导致栅极驱动信号G2失真，而这将会导致与输入PWM波形有关的不精确性。瞬变303可能会导致M2与M1同时接通，而这将会损坏晶体管，并且有可能降低电压转换效率。在OUT发生转变之后将会出现轻微的瞬变，并且该瞬变会在OUT发生转变之后不久停止。其他的事件组合同样可能导致在输出信号中出现非期望的瞬变。
图4示出的是一个通过使用光隔离器来提供控制信号与驱动器之间的隔离的实施例，并且示出了共模瞬变在此类电路中可以何种方式出现。在将节点401上的电流施加于发光二极管(LED)403时，该二极管将会发光，并且其发出的光会被光电晶体管405接收。所述光电晶体管的输出可用于驱动一个驱动器，或是供应其他电路。瞬变电流IT会对电容411执行充电或放电，该电流有可能导致输入电流低至无法驱动LED 403，如果瞬变电流足够强，那么该电流也有可能导致在不需要的时候接通LED 403。因此，共模瞬变可能会导致接收侧信号407不同于在节点401上提供的输入信号IIN。一种针对光隔离器中的共模瞬变的解决方案是过度驱动(overdrive)LED 403，以使其在输出高电平状态期间且发生共模瞬变的时候保持接通，以及在输出低电平状态期间将过剩的瞬变电流接地。这样做有可能需要一个外部开关，而这将会增加成本并提升系统复杂度。
图5示出的是关于共模瞬变事件的定时方面的考虑。假设隔离技术的工作电压介于0V与600V之间，那么所瞬变同样介于0V与600V之间。图5示出了四个事件501，502，503和504。事件的长度是由斜率确定的，所述斜率即为瞬变在0V与600V之间往返所要耗费的时间。应该指出的是，虽然所显示的是正向变化的瞬变，但是同样也可存在斜率为负的负向变化的瞬变。长度Δt1与瞬变事件502相关联，并且Δt2与瞬变事件504相关联。由于隔离通道本身对大于某个长度的瞬变事件具有免疫性，因此，瞬变事件的长度是很重要的。例如，在图4的光学系统中，如果电压变化足够慢(低斜率)，那么附加电流IT将可能不会影响二极管。电流IT是电容以及电压变化率的函数，如果电压变化率足够慢，那么在驱动电流足够高的情况下，电流IT可能不足以关断二极管，此外，如果IT小于用以接通二极管的阈值电流，那么所述电流将不足以接通二极管。其他隔离技术同样对长度大于特定时间阈值的瞬变事件具有免疫性。
参考图6，这里的一个实施例使用了瞬变抑制电路601来为开关电源的栅极驱动器电路提供增强的CMTI。瞬变抑制电路601会抑制事件发生时间小于预定长度的瞬变。因此，如果隔离技术本身对高于特定阈值长度的瞬变是免疫的话，例如关于图5中的事件504的Δt2，那么可以将瞬变抑制电路设计成抑制低于该特定阈值长度的瞬变。由此，抑制电路将会抑制持续时间与该阈值长度相对应以及更低的瞬变，以确保这些瞬变不会导致隔离系统的输出不同于针对该隔离系统的输入。对于事件发生长度长于阈值时间的瞬变来说，这些瞬变是可忽略的。
图7示出的是可以用在图6的系统中的瞬变抑制电路601的例示实施例。虽然在图7中示出了特定实施例，但在这里描述的不同实施例中也可以使用其他瞬变抑制电路。隔离接收器701接收跨越隔离隔栅传送的信号。在一个优选实施例中，隔离接收器701和瞬变抑制电路601是在同一集成电路芯片上形成的。隔离隔栅可以作为光隔离器、使用变压器、使用电容性隔离或是使用高压晶体管来实现。参考图8，该时序图示出了瞬变抑制电路的操作。瞬变抑制电路601移除事件持续时间小于与延迟部件703的延迟相对应的延迟TD的所有瞬变。由此，通过调节延迟部件703的(延迟)长度，可以以期望的事件发生长度量身定制该抑制电路。在一些实施例中，延迟部件的(延迟)长度可被编程。因此，延迟的长度可以由来自部件710的延迟控制信号709确定，例如通过控制延迟部件中的延迟元件的数量来确定，其中所述部件710可以是输入端，非易失性存储器或是其他位置。这样做允许在需要不同延迟的系统中使用该隔离技术。此外，抑制指定系统的共模瞬变所需要的最小延迟可以是用一个可编程系统确定的，例如在产品鉴定或生产测试过程中确定。在其他实施例中，该延迟可以是固定的。
参考图7和图8，来自接收电路701的IN信号具有瞬变803。该瞬变出现在被延迟的IN_D信号中的805上，但是并未出现在RB信号中，并且所述RB信号会与延迟部件的输出IN_D以及来自接收电路701的IN信号通过“或”操作结合在一起。在SB信号中，在807和809上都会出现初始瞬变和延迟瞬变。最后，可以看出的是，位于交叉耦合的NAND门705之后的栅极驱动器的输出OUT是没有瞬变的。由此，致使正常情况下在803应为高电平的信号变成低电平的瞬变得到了抑制。在811上显示的是正向瞬变。该瞬变811会在延迟部件输出中的815以及RB输出中的817和819上出现。并且该瞬变并未出现在输出SB上。同样，可以看出的是，输出至位于交叉耦合的NAND门705之后的栅极驱动器的输出信号OUT也是没有瞬变的。虽然在所示出的实施例中显示的是使用交叉耦合的NAND门的锁存电路，但在其他实施例中，任何类型的SR锁存器乃至基于触发器的电路都是可以使用的。延迟部件703的(延迟)长度必须足以确保能够抑制低于特定长度的期望的瞬变事件。
所选择的延迟可以部分基于期望的CMTI。作为示例，假设工作电压是0V～600V。在600V上，大小为30kV/μs的CMTI对应的是以为基础计算得到的20ns的延迟，其中Δt对应于的是延迟部件703的延迟。对于更高的CMTI来说，延迟有可能更短。在一个实施例中，所选择的延迟将会确保大小为至少30kV/μs的CMTI。其他实施例也可以选择大小为200kV/μs的CMTI。应该指出的是，为了方便说明，这里显示的计算是经过简化的。作为示例，有可能存在振荡响应(ringing response)，由此，真实系统可以选择大小为30ns的延迟，而不是如上所示的大小为20ns的延迟。此外，在实际的系统中，由于本身存在CMTI免疫性，因此，对延迟所做的选择通常是以所遭遇的CMTI故障的最大可能长度为基础的。该延迟的长度应该始终那么长而不是仅仅单纯基于目标CMTI速率。例如，对于目标为200kV/μs的CMTI的系统来说，Δt是3ns。然而作为示例，隔离信道本身的CMTI免疫性有可能是50kV/μs。这意味着导致本身的通道发生故障的最小CMTI是50kV/μs，而该CMTI是与长于3ns的12ns的脉冲宽度相对应的。因此，为了确定恰当延迟，还需要考虑本身的通道免疫性。
使用瞬变抑制电路的一个方面在于:致使跨越该隔离技术的传播延迟增加的是与延迟电路相关联的延迟以及瞬变抑制电路中的其他逻辑门的延迟。对于具有诸如100～200ns的传播延迟的光隔离器应用来说，与抑制电路相关联的附加的20ns的延迟会使传播延迟增加大约10～20％。一些使用了高压隔离的应用可以容忍这种附加的传播延迟，而其他那些传播延迟约为10～50ns的应用(例如跨越隔离隔栅的数字通信)则有可能无法容忍这种应用延迟，。
参考图7，在一些实施例中，无法容忍附加传播延迟的应用可以不考虑使用瞬变抑制电路。由此，对于无法容忍附加传播延迟的应用来说，这里的一个实施例可以通过用开关711来选择旁路通路从而绕过瞬变抑制电路。旁路功能可以用源于部件716的开关控制信号715来控制，其中所述部件716可以是输入端，非易失性存储器或其他位置。此外，其他实施例可以完全省略抑制旁路逻辑。
参考图9，该图示出的是具有瞬变抑制电路601的改进的光隔离器的实施例。瞬变抑制电路901可以用图7所示的方式实施。与使用具有LED的光隔离器不同，在这里可以使用与图9所示的光隔离器具有类似IV特性的替换实施方式来替换图9的光隔离器。在图10所示的实施例中，隔离链路是通过提供两个芯片1001和1003实施的，并且在所述芯片之间具有一条通信链路1005。每个芯片1001和1003分别包括一个变压器1006和1008。芯片1001包括与变压器1006耦合的发射电路1011，并且芯片1003包括与变压器1008耦合的接收电路1015。信号是通过使用每个芯片中的变压器1006和1008以及变压器之间的磁耦合效应而在芯片之间传送的。特别地，发射电路1011使用了一个信号来驱动变压器1006，由此将能量从其初级耦合到次级。这样做允许在耦合变压器1006与1008的传输线1005上传送能量。每个变压器都包括初级1027和次级1029。在每一个变压器的初级与次级线圈之间都存在隔离隔栅。I/O端子1017和1019与光隔离器的端子相对应。输入端子1017可以接收用于指示何时执行跨隔离隔栅的传输的电流，而端子1019则可以是一个接地连接。其他变压器的实施例可以使用单个变压器，而不是图9所示的两个变压器。瞬变抑制电路1030可以以图7示出的方式实施，该电路将会抑制长度小于预先选定的事件长度的瞬变事件。
与使用基于变压器的隔离技术不同，图11示出的是瞬变抑制电路1101在电容耦合的隔离隔栅中的运用。瞬变抑制电路1101可以采用图7所示的方式实施。图12示出的是可在工业环境中使用且具有多个输入和多个二极管的可编程逻辑控制器(PLC)的隔离技术。导致二极管接通的电压VIN的电平可以用外部电阻器1202和1204编程。为了便于说明，在这里并未显示用于其他二极管的附加外部电阻器。与使用二极管不同，在这里可以使用如图10或图11所示的替换的隔离技术。无论跨越隔栅的通信信道是光学、电感还是电容性的，位于隔离隔栅接收侧的接收电路1201都会将接收到的信号提供给可以图7所示的方式实施的瞬变抑制电路1205。
由此，在这里描述了涉及对跨隔离隔栅的通信相关联的瞬变进行抑制的各种方法。这里阐述的关于本发明的描述是说明性的，其并不用于限制后续权利要求中阐述的发明范围。根据这里给出的描述，在不脱离后续权利要求述及的发明范围的情况下，针对这里公开的实施例的其他变化和修改都是可行的。

Claims (14)

1.一种用于抑制共模瞬变的设备，包括：
隔离隔栅，所述隔离隔栅在第一域与第二域之间提供电隔离，所述第一域包括发射电路，所述发射电路接收要跨隔离隔栅传送至所述第二域的接收电路的输入信号；
所述接收电路，用于接收由所述发射电路跨所述隔离隔栅传送的所述输入信号作为接收信号，以及所述接收电路提供接收电路输出信号；以及
共模瞬变抑制电路，其与所述接收电路耦合以便抑制所述接收电路输出信号中的瞬变；
其中所述共模瞬变抑制电路包括延迟电路；以及
其中所述共模瞬变抑制电路抑制的是所述接收电路输出信号中的事件长度低于预定时间长度的瞬变，所述预定时间长度对应的是与所述延迟电路相关联的延迟。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述接收电路包括一个用于接收从所述发射电路的发光二极管传送的信号的电路。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述隔离隔栅使用了电容性隔离。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述隔离隔栅包括变压器。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述预定时间长度小于50纳秒。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述预定时间长度小于30纳秒。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述设备具有至少200kV/μs的共模瞬变免疫性。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述共模瞬变抑制电路还包括：
第一逻辑门，其被耦合成接收所述共模瞬变抑制电路的输入，并且被耦合成接收所述延迟电路的输出；
第二逻辑门，其被耦合成接收所述共模瞬变抑制电路的输入，并且被耦合成接收所述延迟电路的输出；以及
锁存电路，其与所述第一逻辑门和所述第二逻辑门相耦合。
9.一种用于抑制共模瞬变的方法，包括：
从发射器跨隔离隔栅发射信号；
在接收器处接收在跨所述隔离隔栅传送之后的信号作为接收信号，所述接收器通过所述隔离隔栅与所述发射器电隔离；以及
抑制所述接收信号中事件长度小于预定时间长度的瞬变，所述抑制包括在具有与所述预定时间长度相对应的延迟的延迟电路中延迟所述接收信号。
10.如权利要求9所述的方法，还包括使用光电二极管来传送信号以执行跨所述隔离隔栅的通信。
11.如权利要求9所述的方法，还包括使用电容器来执行跨所述隔离隔栅的通信。
12.如权利要求9所述的方法，还包括使用变压器来执行跨所述隔离隔栅的通信。
13.一种隔离设备，包括：
隔离隔栅，所述隔离隔栅在发射侧与接收侧之间提供电隔离；
发射电路，其耦合设置在所述隔离隔栅的所述发射侧上，以便接收输入信号以及跨所述隔离隔栅传送信号至所述隔离隔栅的所述接收侧上设置的接收电路；
所述接收电路，用于在所述隔离隔栅的接收侧接收跨所述隔离隔栅传送之后的信号作为接收信号；以及
共模瞬变抑制电路，其与所述接收电路相耦合，以便在所述接收电路所接收的所述接收信号中的瞬变的事件长度小于预定时间量的情况下抑制所述瞬变，所述共模瞬变抑制电路包括延迟电路，所述延迟电路具有与所述预定时间量相对应的延迟。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述共模瞬变抑制电路的延迟是可编程的。
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