CN106896281A - 一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其步骤如下：一：选定数字隔离器件，查看器件手册中的真值表和输入低和输入高两种情况的输入电流范围信息；二：数字隔离类器件CMTI测试电路设计及配置；三：数字隔离类器件CMTI测试；四：数字隔离类器件CMTI测试结果分析；通过以上步骤，对目标器件的瞬态共模抑制参数进行测试，利用脉冲提供输入与输出的干扰，通过调节脉冲参数，得到干扰波形并评价波形数据，达到对数字隔离器件共模抑制测试与评价的效果，解决了工程上对高速光电耦合器的瞬态共模抑制不能准确评价的实际问题。

Description

一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法

技术领域

本发明是关于数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法。它主要是针对数字隔离类器件高速数据传输等实际工程的使用需求，对器件的抗共模瞬变性能的抑制能力进行测试并评价的方法，以防止器件由于瞬态工作特性退化而发生故障，提高器件的工作可靠性。属于电子元器件性能测试领域。

背景技术

数字隔离类器件由于具有传输速率高、信号保真好、成本低、效率高和集成度等优点，因而被广泛应用于长寿命、稳定性能要求相对较高的电子系统中，尤其是在一些应用环境比较恶劣的场合，以起到隔离输入输出提高抗干扰能力的作用，根据工艺不同，数字隔离器件主要有光电耦合隔离器、电容耦合隔离器和变压器耦合隔离器三个主要的门类。

变压器耦合方式是利用两个线圈的磁通耦合将信号从一级传递到下一级，它的频率范围和动态范围比较宽，长期的稳定性非常好。电容式耦合器件利用电容器的电荷感应现象来传递信号，同样可以起到电气隔离的目的，而且使用方便、性能稳定、失真小。一般情况下，电容耦合元件常被用来传输小信号，如果是大信号或者强信号的传输，就需要用变压器作为耦合元件。

光电耦合器是利用光信号传输电信号，从而使输入、输出电路不直接相连，对电信号的隔离作用非常不错。该类器件发展也比较早，如今已经在各种实际电路中得到普遍应用。在种类繁多的半导体光电器件里，它成为种类最多、用途最广的器件之一。光电耦合器一般由光的产生(LED)、光电流转换和信号放大三个部分组成。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，通过内部光传输通道被光二极管(PD)接收而产生光电流，经过电流电压转换器将光信号变为电压信号，然后由放大电路放大后输出。这样就完成了电-光-电的转换，同时也达到了隔离目的，其本质上可以被看作是一个以光电流为基级电流的三极管。

受光控光敏器件的导通与截止，是由发光二极管所加正向电压控制的。以光敏三极管为例，发光二极管有电流通过发光，使光敏三极管内阻减小而导通；反之，当发光二管不加正向电压或所加正向电压很小时，发光二极管中无电流或通过电流很小，发光强度减弱，光敏三极管的内阻增大而截止。

随着航天航空及武器装备领域的发展与要求，光耦的需求量越来越大，参数指标要求越来越高，工作环境越来越恶劣，对元器件的可靠性长寿命的要求越来越高。光耦的技术发展趋势可概括为以下几方面：

(1)随着集成度的提高，光耦越来越向小型化趋势发展。

(2)随着集成电路的发展要求，光耦越来越向高速、高压和高线性方面发展。

(3)随着整机集成度的提高，光耦越来越向多路方向发展。

(4)随着空间领域的发展，光耦越来越向高抗辐射方向发展。

(5)随着工作环境的提高，光耦越来越向高可靠性、长寿命方向发展。

光耦的性能参数可分为输入发光二极管部分、输出三极管部分、发光二极管与三极管之间的传输特性和隔离特性三部分。此外，还需考虑信号的时间参数：上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等。光耦合器在长线传输信息中作为终端隔离元件可以很大的提高信噪比，这是因为它的输入端属于电流型工作的低阻元件，所以具有很高的共模抑制能力。

在长期贮存状态下，数字隔离器件也会产生失效，而影响共模抑制能力。影响该类器件的贮存可靠性的主要因素是环境应力。晶体管在非工作状态下的环境应力包括温度应力、湿度应力、机械应力、化学应力以及设备电源通断产生的应力。

(1)温度应力：高温会加速光耦内部晶体管退化的物理-化学反应，还会加速材料的老化。降低温度有利于晶体管失效率的降低，但是过分降低温度会导致晶体管某些性能的退化。低温还会引起材料的收缩和断裂。

(2)湿度应力：在高温高湿或有温度周期性变化的适中湿度条件下，会逐渐增加密封不完善晶体管的内部湿度。

(3)机械应力：机械应力会使光耦内发光二极管、光敏三极管等结构失常、键合连接部位失效等热-机械互作用会使其材料、互连之间引起不同膨胀，诱发热扩散、机械形变和位移。

(4)化学应力：在晶体管中潜在着化学物性相互作用所产生的化学应力，这些互作用包括固体也进过城及其污染物的化学反应，造成晶体管退化。

(5)设备电源通-断循环：长期贮存休眠的设备往往要进行周期性通电和检测，这会影响设备中电子元器件的性能与可靠性。

随着数据速率的提高，在高转换速率瞬时，共模干扰有可能通过耦合窜入输出，破坏数据转换，通过隔离地平面之间的电容提供这些快速瞬态信号的路径，使输出波形退化，衡量隔离器两个隔离地之间抗高速噪声能力的指标称为共模瞬变抑制。瞬态共模抑制(CMTI)是衡量一个隔离器在数据通信不被噪声打断的情况下，对隔离栅中的电压噪声的抑制能力。

CMTI表征方法：定义两个参数：

V_CM——共模瞬态电压

dv/dt——共模瞬态电压的上升或下降的速率

CMTI可以分解为两个参数：高电平的瞬态共模抑制(|CM_H|)的和低电平的瞬态共模抑制(|CM_L|)，|CM_H|就是在共模脉冲V_CM上升沿，保证输出为高电平所能容忍的电压变化比率dv/dt。|CM_L|就是在共模脉冲V_CM下降沿，保证输出为低电平所能容忍的电压变化率dv/dt。

若要提高被隔离系统的工作可靠性，需要对数字隔离器件进行实际测试，以便确切了解这些隔离器件的抗共模瞬变性能。

发明内容

1)目的

本发明的目的是提供一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试及评价方法，它是以噪声产生原理为基础，制定测试条件，结合实际试验，实现数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试及评价方法。

2)技术方案

本发明一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其步骤如下：

步骤一：选定数字隔离器件，查看器件手册中的真值表和输入低和输入高两种情况的输入电流范围信息。基于对|CM_H|与|CM_L|的定义，首先得到V_CM和相应的dt。

步骤二：数字隔离类器件CMTI测试电路设计及配置。由步骤一中对器件资料书中获得的输入电流范围信息，按照下式：

(V_FF-V_F)/R₁＝I_F

式中：

V_FF是输入电压，单位V；

V_F是HCPL-2611输入端LED的驱动电压；

R₁为输入端所接电阻；

I_F是输入电流。

计算在输入低和输入高两种情况的所需电阻值范围，选择合适电阻R1(见图2所示)。将R1连接到电路板对应位置，管脚8与管脚5之间连接电容，该电容为0.1μf，管脚8与管脚6之间连接电阻R2，该R2为330Ω。各器件与背后9根零欧姆电阻线连接完毕，电路板上多余的器件位置用导线短路。将电路板安装至高压脉冲源的测试接口上，连接高压探头与差分探头至示波器，用GPIB线连接脉冲源与电脑。

步骤三：数字隔离类器件CMTI测试。对脉冲电源进行参数调节，观察示波器中波形。

对脉冲电源进行参数调节的调节方法有手动调节与计算机调节：

手动调节：设置内部触发，延时，上升时间，脉冲电压与输出驱动电压，打开输出。

计算机调节：利用IEEE488.2指令实现计算机交互，在命令界面输入相应参数，更改脉冲源输出。

步骤四：数字隔离类器件CMTI测试结果分析。测量输出波形，记录脉冲电压与变化时间数据，各取10％到90％后根据dv/dt计算得到|CM_L|和|CM_H|，对比器件手册中的|CM_L|和|CM_H|，作出评价。

其中，在步骤一中所述的“数字隔离器件”，是指光电耦合器件、电容耦合器件和电感耦合器件，这里以HCPL-2611光电耦合器件为例，进行描述；

其中，在步骤一中所述的“选定数字隔离器件，查看器件手册中的真值表和输入低和输入高两种情况的输入电流范围信息”，其作法如下：器件真值表中所列的输入端和使能端分别在高电平与低电平变化时，得到相应输出电平的高低。输入端电流为I_Fmin≤I_F≤I_Fmax，对于HCPL-2611在输入为高电平时有I_Fmin＝6.5mA，I_Fmax＝15mA；输入为低电平时有I_Fmin＝0μA，I_Fmax＝250μA。

其中，在步骤二、步骤三和步骤四中所述的“数字隔离类器件CMTI”，是指光电耦合器件、电容耦合器件和电感耦合器件这三类器件的瞬态共模抑制，CMTI为瞬态共模抑制；

其中，在步骤二中所述的“GPIB”是指通用接口总线，用来实现脉冲源与计算机的信号连接；

其中，在步骤三中所述的“IEEE488.2”，是关于GPIB命令的标准；

其中，在步骤三中所述的“手动调节”，其作法如下：内部触发选取10Hz，延时设置为50ns，上升时间可连续调节，暂定100ns，设置AMP1＝±1kV或者±1.5kV(当值为负时可产生脉冲下降沿，为正时可产生上升沿)，设置AMP2＝+5V，打开输出。

其中，在步骤三中所述的“计算机调节”，其作法如下：利用GPIB命令实现计算机交互，在VB制作的接口命令界面输入相应参数，直接更改脉冲源输出，通过示波器观察波形。

通过以上步骤，对目标器件的瞬态共模抑制参数进行测试，利用脉冲提供输入与输出的干扰，通过调节脉冲参数，得到干扰波形并评价波形数据，达到对数字隔离器件共模抑制测试与评价的效果，解决了工程上对高速光电耦合器的瞬态共模抑制不能准确评价的实际问题。

3)优点及作用

本发明提供一种数字隔离类器件瞬态共模抑制参数的测试方法以及评价方法。该发明的优点是：运用测试系统将数字隔离类器件的CMTI参数进行定量测试，为使用者提供完善的数据支持，使在选择该类器件的时候能对其性能有直观的了解，在完成任务的需求同时也节约了成本。数字隔离器在电应力、和环境应力的影响下都可能产生失效，运用这种测试方法，可以直接由输出波形来分析器件，评价器件性能，简单明了、操作简单。结合电脑系统的辅助控制，为测试提供方便，可以形成系统的测试平台。

附图说明

图1调节脉冲发生器参数。

图2测试原理电路图。

图3测试连接图。

图4实际测试样图(输出低电平)。

图5实际测试样图(输出高电平)。

图6GPIB软件框架。

图7GPIB操作步骤。

图8本发明所述方法流程图。

图中符号代号说明如下：

AMP1为脉冲电压高电平

VCC2为电路电源电压

V_FF是输入信号电压

R1是输入端调节输入电流的电阻

I_F是输入电流

V_CM是脉冲电压源

V_O是输出电压

VBIB.BAS和NIGLOBAL.BAS是GPIB控制函数模块

具体实施方法

本发明所描述的测试方法以HCPL-2611为例进行测试。选择的高压脉冲发生源是AVTECH的AVRQ-4-B，被测器件是HCPL-2611型高速光电耦合器，示波器采用MDO3022，并且通过GPIB线与电脑相连。

本发明一种数字隔离类器件瞬态共模抑制参数的测试方法，如图8所示，其具体实施步骤如下：

步骤一：选择数字隔离类器件HCPL-2611，记录器件手册中的真值表和输入低和输入高两种情况的输入电流范围信息。基于对|CM_H|与|CM_L|的定义，首先得到V_CM和相应的dt。

步骤二：数字隔离类器件CMTI测试电路设计及配置。设计测试电路如图2。HCPL-2611产品说明书上可知I_Fmin＝6.5mA，I_Fmax＝15mA，所以I_Fmin≤I_F≤I_Fmax时光耦输入为高。由下式：

(V_FF-V_F)/R₁＝I_F

式中：

V_FF是输入电压，单位V；

V_F是HCPL-2611输入端LED的驱动电压；

R₁为输入端所接电阻；

I_F是输入电流。

设置图2中R₁＝330Ω，得到I_F≈10mA，可以认为此时光耦输入为高。光耦输入为低的电流为I_Fmin＝0μA，I_Fmax＝250μA，设置R₁＝15.7kΩ时，得到I_F≈223μA。旁路电容C₁设置为0.1μF，R₂设置为330Ω。

将R1焊接到电路板对应位置，管脚8与管脚5之间的电容焊接0.1μf，管脚8与管脚6之间的电阻R2选择330Ω。各器件与背后9根零欧姆电阻线焊接完毕，电路板上多余的器件位置用导线短路。电路板焊接完毕，用万用表测试焊接好的各个器件有无损坏。

按照图3，把测试接口板安装到测试门内。连接高压探头的测试头与脉冲源后面板的高压脉冲端口，用差分探头连接差分信号输出端口中的两个测试探针，分别连接两个探头到示波器两个接收通道上。利用GPIB线连接脉冲源与电脑上的PCI-GPIB卡，安装PCI-GPIB驱动。

步骤三：数字隔离类器件CMTI测试。按照图1中进行脉冲参数调节：

手动调节：内部触发选取10Hz，延时设置为50ns，上升时间可连续调节，暂定100ns，设置AMP1＝±1kV或者±1.5kV(当值为负时可产生脉冲下降沿，为正时可产生上升沿)，设置AMP2＝+5V，打开输出。

计算机调节：利用GPIB命令实现计算机交互，在VB制作的接口命令界面输入相应参数，直接更改脉冲源输出，通过示波器观察波形。基本软件框架如图6。使程序实现GPIB设备间相互通信，操作步骤如图7，具体如下：

(1)首先在控制计算机上安装GPIB板卡，同时安装相匹配的GPIB连接线；

(2)在计算机上安装相应的驱动程序，这是实现GPIB应用的基础。其次，安装所需的编程软件VB；

(3)对于VB开发环境，添加VBIB.BAS和NIGLOBAL.BAS两个模块文件；

(4)在VB编程应用中，调用NI-488.2指令进行具体的应用开发。

调节示波器观察波形，输出低电平时，最高电压不可大于800mV，通过连续调节脉冲变化时间，得到理想波形，图4(输入电流I_F＝10mA)中干扰波形最大值为750mV。输出高电平时，最小电压不可低于2V。图5(输入电流I_F＝223μA)中所示的干扰波形最小值为2V。

步骤四：数字隔离类器件CMTI测试结果分析。测试输出结果如图4与5，其中图4所示是关于输出低电平时的脉冲干扰波形，图5是输出高电平的脉冲干扰波形。读取脉冲电压与变化时间数据，各取10％到90％后根据dv/dt计算得到|CM_L|和|CM_H|。

输出电平：图4中读取脉冲下降沿时间为60ns，按照从10％到90％的换算为dt＝60ns×80％＝48ns，变化脉冲取dV＝1000V×80％＝800V，按照CMTI计算公式可得

输出高电平：图5中读取脉冲上升沿时间为153ns，按照从10％到90％的换算为dt＝153ns×80％＝122.4ns，变化脉冲取dV＝1000V×80％＝800V，可得

Claims (8)

1.一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤一：选定数字隔离器件，查看器件手册中的真值表和输入低和输入高两种情况的输入电流范围信息；基于对|CM_H|与|CM_L|的定义，首先得到V_CM和相应的dt；

步骤二：数字隔离类器件CMTI测试电路设计及配置；由步骤一中对器件资料书中获得的输入电流范围信息，按照下式：

(V_FF-V_F)/R₁＝I_F

式中：

V_FF是输入电压，单位V；

V_F是HCPL-2611输入端LED的驱动电压；

R₁为输入端所接电阻；

I_F是输入电流；

计算在输入低和输入高两种情况的所需电阻值范围，选择电阻R1；将R1连接到电路板对应位置，管脚8与管脚5之间连接电容，管脚8与管脚6之间连接电阻R2；各器件与背后9根零欧姆电阻线连接完毕，电路板上多余的器件位置用导线短路；将电路板安装至高压脉冲源的测试接口上，连接高压探头与差分探头至示波器，用GPIB线连接脉冲源与电脑；

步骤三：数字隔离类器件CMTI测试；对脉冲电源进行参数调节，观察示波器中波形；

对脉冲电源进行参数调节的调节方法有手动调节与计算机调节：

手动调节：设置内部触发，延时，上升时间，脉冲电压与输出驱动电压，打开输出；

计算机调节：利用IEEE488.2指令实现计算机交互，在命令界面输入相应参数，更改脉冲源输出；

步骤四：数字隔离类器件CMTI测试结果分析；测量输出波形，记录脉冲电压与变化时间数据，各取10％到90％后根据dv/dt计算得到|CM_L|和|CM_H|，对比器件手册中的|CM_L|和|CM_H|，作出评价；

通过以上步骤，对目标器件的瞬态共模抑制参数进行测试，利用脉冲提供输入与输出的干扰，通过调节脉冲参数，得到干扰波形并评价波形数据，达到对数字隔离器件共模抑制测试与评价的效果，解决了工程上对高速光电耦合器的瞬态共模抑制不能准确评价的实际问题。

2.根据权利要求1所述的一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其特征在于：在步骤一中所述的“选定数字隔离器件，查看器件手册中的真值表和输入低和输入高两种情况的输入电流范围信息”，其作法如下：器件真值表中所列的输入端和使能端分别在高电平与低电平变化时，得到相应输出电平的高低；输入端电流为I_Fmin≤I_F≤I_Fmax，对于HCPL-2611在输入为高电平时有I_Fmin＝6.5mA，I_Fmax＝15mA；输入为低电平时有I_Fmin＝0μA，I_Fmax＝250μA。

3.根据权利要求1所述的一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其特征在于：在步骤二、三和四中所述的“数字隔离类器件CMTI”，是指光电耦合器件、电容耦合器件和电感耦合器件这三类器件的瞬态共模抑制，CMTI为瞬态共模抑制。

4.根据权利要求1所述的一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其特征在于：在步骤二中所述的“GPIB”是指通用接口总线，用来实现脉冲源与计算机的信号连接；在步骤三中所述的“IEEE488.2”，是关于GPIB命令的标准。

5.根据权利要求1所述的一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其特征在于：在步骤三中所述的“手动调节”，其作法如下：内部触发选取10Hz，延时设置为50ns，上升时间能连续调节，暂定100ns，设置AMP1＝±1kV及±1.5kV中的一种，设置AMP2＝+5V，打开输出。

6.根据权利要求1所述的一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其特征在于：在步骤三中所述的“计算机调节”，其作法如下：利用GPIB命令实现计算机交互，在VB制作的接口命令界面输入相应参数，直接更改脉冲源输出，通过示波器观察波形。

7.根据权利要求1所述的一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其特征在于：在步骤二中所述的“管脚8与管脚5之间连接电容”，该连接的电容为0.1μf。

8.根据权利要求1所述的一种对数字隔离类器件的瞬态共模抑制参数的测试方法，其特征在于：在步骤二中所述的“管脚8与管脚6之间连接电阻R2”，该R2为330Ω。