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ADI的iCoupler技术实现电磁炉和用户接口的安全隔离 |
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作者：Jerome Patoux |
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电磁炉由于操作简单且价格低廉，已日益为消费者所接受。电磁炉不需要使用明火或者其它直接热源，而且它们的整体性能更佳，能够迅速加热，安全性更高。
虽然目前电感技术得到了良好的发展和验证，但是在设计电磁炉应用电路时，设计人员必须掌握不同范围的物理原理和设计技术。虽然电磁炉实现的原理相对简单，但是其技术却涉及众多不同的领域，包括模拟和数字信号处理、电气保护和隔离。
例如，安全标准规定用户接口和电源之间的隔离，其中需要实现三个方面的隔离：
·控制逻辑所需的低压电源的隔离
·绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）功率级与其控制信号之间的隔离
·用户控制和系统控制器之间的隔离
一个安全的系统必须能够满足至少上述两个条件。本文将讨论几种创新的解决方案，它们能够实现IGBT门级驱动器与用户接口之间的隔离。
系统说明
电感元件与变压器类似，能够产生磁场。在将金属锅置于磁场中时，则会产生涡电流，电能转换为热能，通过金属的热传导来加热食物。由电学的观点来看，电感元件驱动有损LC谐振电路，损耗产生了热量。图1所示电感加热系统框图。
图1 电感加热系统
电感中的电流由一个高效率的开关直流电源和一对IGBT开关产生。IGBT开关由微控制器驱动，微控制器响应反馈回路的信号进行操作，反馈回路根据用户设置的条件调整传感器的监测，使它保持在安全限度内。
变压器是主传感器，它与电磁炉磁板串联连接，监测流过磁板的电流值，以便于针对用户选择的烹饪选项保持适当的电流值。在必要时降低电流，以避免出现过流条件，这可以防止损坏功率级，即电磁炉的磁板和IGBT。
由于磁板、锅和变压器的电感和电容构成了谐振LC电路，因此某些人可能认为设定L和C的值即能够确定感应频率。但是，电感和电容值以及由此导致的谐振频率取决于用户使用的锅的尺寸、形状和材料。因此，通过用户接口选择的不同的加热等级不能由固定频率设定。一种更有效的方法是通过电流测量确定的功耗，以此设定加热的等级。微控制器通过反馈回路调节电流，使其对应于用户选择的加热等级。微控制器调节脉宽调制（PWM）波形的频率，以适应锅的特征。电磁炉的设计人员应事先了解每个加热等级所对应的电流大小，继而只需简单地对微控制器编程以调节PWM频率，提供适当的电流。
驱动IGBT的PWM信号的典型频率范围约20 kHz~100 kHz。相比于MOSFET，IGBT的关断特性较慢，其开关频率仅为数十千赫。微控制器提供的PWM信号的占空比是固定的（如50%），通过用户选择的加热等级要求的功率来调节该PWM信号的频率。
由于在大电流电感电路中可能会产生大电压，因此在系统中的关键位置提供电气隔离是十分重要的。特别是电磁炉的功率级与微控制器和其它数字电路隔离。一种隔离方法是使用隔离IGBT驱动器。与传统的隔离解决方案相比，基于ADI公司创新的iCoupler®技术的低成本隔离门级驱动器串联电路具有很多优点。
电流隔离是一种用于防止电流在两个连通的电路之间直接流动的技术。使用隔离的主要原因有两个，第一个原因是在人员和设备暴露于大电压或电流浪涌时，对他们进行保护。第二个原因是在电路互连牵涉到不同的地电位时，避免地回路和破坏性的地电流。在这两种情况中，隔离技术可以防止电流流动，但是允许在两个电路之间传递数据或功率。
iCoupler技术（图2）是一种基于变压器的隔离技术。由于集成了微型变压器和电子电路，因此它具有光耦合器技术、分立变压器技术和半导体技术的所有优点，而且还消除了光耦合器和分立变压器的缺点。光耦合器的缺点在于功耗过高，大的定时误差，数据速率限制以及对温度的敏感性。在基于iCoupler技术的产品中，通过在变压器线圈之间使用20 µm厚的聚酰亚胺绝缘层，实现了满足安全机构标准的绝缘。而且，它还能够实现超过5 kV rms的隔离等级。该技术使用申请专利的刷新电路，在没有输入跳变的情况下，通过刷新电路使输出状态输入状态保持匹配，由此消除了分立变压器的固有缺陷，可以获得准确的直流电平。
图2 iCoupler技术解析
iCoupler 技术提供了五个方面的优点：
·集成度（尺寸/成本）
·性能
·功耗
·易用性
·可靠性
使用iCoupler技术的IGBT隔离
ADI公司的隔离门级驱动器系列产品采用iCoupler技术，其中双通道 ADuM1233（图3）提供了输出通道和输入通道之间的隔离以及两个输出通道之间的隔离，适用于IGBT控制通道的隔离。
图3 ADuM1233的功能框图
输入电路的功率由隔离电源提供，并且可能需要一个或几个电压转换级。系统中的微控制器和其他电路部分需要5 V电源，而IGBT电路需要15 V的电源才能有效工作。iCoupler隔离门级驱动器必须能够提供高达100 mA的峰值驱动电流，因此需要额外的增益级，如图4中所示。
图4 使用iCoupler隔离技术驱动IGBT
由于两个通道之间的定时关系是十分重要的，而且PWM信号在反相阶段驱动IGBT，因此与LED和光电二极管相比，iCoupler技术的速度、稳定性和可靠性是非常出色的。如图5的曲线所示，在输出电压范围为12 V~18 V，输入电源电压范围为4.5 V~5.5 V的情况下，两个通道的上升沿的传播延迟是匹配的，约为100 ps，而且下降沿的传播延迟优于1 ns。
图5 匹配通道的传播延迟是电源电压的函数
（a）输出电压（b）输入电压
这种定时容限确保了IGBT的全互补开关操作，提高了功率级和整体系统的效率。
如上所述，ADuM1233提供了输入电路和输出电路之间以及两个输出电路之间真正的电流隔离。每个隔离输出通道可以在与输入电路电压相差±700 V的电压下工作，因此支持低端电源的负电压（图4中的-HV）。高端电源轨和低端电源轨（+HV和-HV）之间的电压差必须不大于700 V，这与电磁炉使用的典型电压轨兼容。
使用iCoupler技术隔离用户接口
如果采用电容键盘，那么可以利用SPI（Motorola公司提出的串行外围接口）或者I2C（集成电路间总线，飞利浦半导体公司的注册商标）串联实现微控制器和ADI公司的AD7147或AD7148电容键盘控制器之间的接口。双向I2C®接口通常用于数据速率相对低的短程通信，在这些应用中，低成本是关键因素，而I2C仅使用两个双向连接线就可满足低成本要求。但是，如果采用光耦合器隔离I2C总线，由于光耦合器是单向的，不能处理双向信号，那么这一低成本的优点是不起作用的。因为必须将I2C总线每个连接线上的传送信号和接收信号进行隔离，因此就要使用四个光耦合器来隔离四条连接线。此外，还需要使用专用的缓冲器消除隔离接口中的锁定和毛刺信号，这些额外的元件增加了成本和复杂度，并且占用了较大的电路板面积。
iCoupler技术实现的集成隔离解决方案以较低的成本降低了电路板尺寸要求和设计复杂度。图6所示的ADuM1250和ADuM1251实现了真正的双向隔离，并且集成了用于消除毛刺信号和锁定的缓冲器。这种高度集成的解决方案仅需两个旁路电容和两对上拉电阻（I2C标准的规定），并且能够以较低的成本提供I2C接口。有关这些器件的使用细节，请参考应用笔记AN-913“PC接口隔离”。
图6 热插拔双向I2C隔离器ADuM1250
锅检测
检测电磁炉上是否存在锅是十分重要的。IGBT必须管理连接到其集电极（+HV）的高压轨。使用电阻分压器对该高压信号采样，将信号发送到微控制器，以检测IGBT集电极处电压的任何变化。如果用户选定了加热等级并且将锅放置在电磁炉上，那么由此导致的电能传输和电流尖峰将使集电极处的电压变化，并且引起电阻分压器输出端处的电压变化。在将锅从电磁炉上拿开时，这些变化将以相反的方向发生。因此，通过比较电压变化与固定阈值，例如ADI公司的ADCMP3xx系列比较器，就可以检测电磁炉上是否存在锅。如果没有检测到，那么将中断发送到微控制器，微控制器调节PWM的频率直至IGBT停止向电感元件提供电流，在用户忘记关闭电磁炉时，这一特性提供了额外的安全保护。
结论
电磁炉技术是ADI公司iCoupler数字隔离器件众多应用的一个实例。如今iCoupler全系列产品可用于通用数字隔离应用和专用应用。产品选型表中列出了某些实例。欲了解iCoupler技术的更多信息，请访问www.analog.com/iCoupler。
致谢
这里向在本文的校对过程中提供宝贵建议和帮助的Andrew Erskine（应用工程师）、David Krakauer（iCoupler产品的市场经理）和Mark Cantrell（iCoupler产品的应用工程师）表示感谢。
作者简介
Jerome Patoux [jerome.patoux@analog.com]是位于法国安东尼的ADI分公司的现场应用工程师。Jerome Patoux 2002年毕业于法国ESIGETEL，获得电子和通讯工程硕士学位。他还拥有加拿大Hull-Gatineau的魁北克大学和法国Le Mans的ISMANS的国际项目管理硕士学位。在2005年加入ADI公司之前，Jerome曾经是SFR Croup的射频工程师和SNCF的部门经理。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/25/2010) |
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