想了解高壓隔離技術是如何工作的嗎？

快來觀看在TI的高壓實驗室拍攝的系列小視頻。

今天的內容融匯了這三個小視頻中的知識點

值得學習和收藏哦~

 現在讓我們跟隨 TI 的高電壓技術專家

了解TI 電容隔離技術是如何實現

業內最高的隔離等級和最長壽命周期的可靠性的

 高電壓隔離結構

    德州儀器(TI)的增強型隔離技術是通過將厚二氧化硅電容器組合串聯實現的。每個通道均在兩個裸片上采用了高電壓隔離電容器。

剖面原理圖

    在上面的剖面原理圖中，您可以看到，左右兩側各有一個裸片，且它們都有一個高電壓電容器。而且它們是串聯的。隔離電容器組合厚度大于21微米。數據在傳輸過程中會穿過該隔離層，如下圖的原理圖所示。信號傳入、接受調制、穿過差分電容器對的隔離層、解調，然后傳出。

    數字隔離器、隔離鏈路、模數轉換器、隔離放大器和隔離柵極驅動器中均使用了這一隔離通信路徑。此結構可實現非常高的隔離能力，包括12.8kV額定浪涌電壓、8kV峰值瞬態過壓和1.5kVRMS工作電壓。下面，讓我們來深入了解一下該結構。我們將會從上層開始。在16引腳SOIC封裝的X射線圖像中，大家會看到什么。

    這是一個寬體封裝。在封裝內部，兩個裸片墊之間有一個較大的內部間隙，該間隙超過了600微米。每個裸片都有高電壓電容器。這是一個三通道隔離器，每側均有六個電容器。

    增強型隔離層由兩個高電壓電容器組成，這兩個電容器分別位于兩個彼此串聯的裸片上。每個電容器均為厚二氧化硅電容器電介質。測試高隔離電壓能力這一性能的最佳測試之一是擊穿電壓測試，或者叫緩升至擊穿電壓測試。在該測試中，會從左側至右側施加高交流電壓。該電壓會以每秒1kVRMS的速率遞增，直至發生擊穿。在發生擊穿時，記錄下擊穿電壓。在大量器件上重復該過程。通過對這些器件的統計分析，我們可以評估該技術相對于額定值的表現效果。

    在上面的直方圖中，是我們對來自113個批次的1,130個器件進行緩升至擊穿電壓測試所得到的數據。您會看到，平均擊穿電壓高于14kVRMS。這要比額定隔離電壓5.7kVRMS高得多。一種較好的用于判斷該性能高出了多少的方法是CPK指標。CPK為1表示該數據高于隔離要求3sigma。CPK為2表示該數據高于隔離額定值6sigma。您可以看到，該數據集中具有大于6的CPK。該CPK是在生產測試條件下測得的，比隔離額定值高20%。該數據表明，TI的增強型隔離產品系列具有超出增強型隔離要求的高電壓能力。

   可靠性測試

    主要的隔離電氣壽命測試是時間依賴型電介質擊穿測試，簡稱TDDB。TDDB是用于確定作為電壓的函數的電介質壽命的標準方法。在下圖中，您可以看到，用于測試的電壓為藍點，這些電壓為5,000、6,000和7,000VRMS，遠高于1,500VRMS的工作電壓。

    通過各個電壓下的威布爾統計，我們可以測量平均壽命，該值稱為t63，也就是63%的器件都測試失敗的點。而器件的失敗率仍低于1PPM時，壽命中的點則組成了圖中左側的虛線。然后將多個電壓數據擬合成一個模型。該模型是一個TDB標準模型，其中失敗時間與所施加的電場，或者本例中所施加的電壓，成指數關系。由于是指數關系，在該圖中，您可以看到，y軸上的壽命是一個對數標度，它的跨度極大，從圖底部的10秒，一直到圖頂部的300年。使用此數據的方法是將1PPM線與隔離額定值進行比較。您可以在該圖的左上角看到二者的比較。您可以通過三種方式來比較實際數據相對于工作電壓的裕度。一種方式是電壓裕度。另外一種方式是壽命裕度。最后一種方式是查看失敗率。

    我們選擇二氧化硅作為我們的電介質，是因為它具有非常出色的可靠性。在下表中，我們對隔離產品中有時會使用的一些電介質進行了比較。

 浪涌測試

    浪涌測試用于驗證器件在短時間內對非常高的電壓電平的抵抗能力，例如抗雷擊能力。浪涌峰值電壓測試是必須的，它是外部標準IEC61000-4-5以及VDE0884-10和11的一部分。浪涌測試采用抽樣測試的方式。

    在TI，我們會使用一種方法來統計分析浪涌特征數據，如下圖中所示。

    該圖表明，浪涌測試失敗率是電壓的函數。我們所使用的方式是，在不同的電壓下測試一定數量的器件，記錄失敗的數量。此測試使用了具有相同極性的50個脈沖。我們將其稱為單極性浪涌測試。我們使用50個正脈沖，或者50個負脈沖進行測試。單極性測試代表對單一浪涌事件的抵抗力。但是，還有另外一種測試方法，我們稱之為雙極性測試。雙極性測試是由于磁滯效果造成的最壞情況浪涌測試。在此測試中，每個器件都要先后承受具有相反極性的25個脈沖。當我們切換極性時，器件中仍具有前25個脈沖所造成的部分電荷，這會給隔離層帶來更大的壓力。這種測試代表對更加復雜的浪涌事件的抵抗力。

    現在，VDE0884-10和11都要求進行該測試。圖中的橙色數據便是雙極性數據，通過這類數據，您可以看到，12kV時失敗率為零，直至15kV失敗率仍未零，然后，電壓更大之后便出現了失敗的情況，到22kV時失敗率變成百分之百。在一些電壓下，所有隔離層都會測試失敗。這類測試有助于您了解您的技術相對于要求值有多大的裕度。在本例中，您可以看到可確保的電壓是12.8kV，比8kV的浪涌隔離額定值高60%。該數據表明，器件相對于要求的隔離電壓具有非常高的裕度。總之，TI的增強型隔離產品系列具有超出增強型隔離要求的高電壓能力。我們使用統計測試方法，通過實質性的裕度證明了這些產品的高電壓隔離質量。