CMTI参数对于隔离驱动器选型的重要性

关注公众号：电子电路分析与设计

什么是CMTI?

CMTI（Common mode transient immunity）是隔离产品（包括iCoupler digital isolators 和optocouplers）最重要的指标之一。CMTI共模瞬变抗扰度，指是指瞬态穿过隔离层以破坏驱动器输出状态所需最低上升或下降的dv/dt（kV/µs or V/ns），如图：

图1. CMTI

CMTI分为静态和动态。静态是指把输入引脚连逻辑高电平或者低电平，然后模拟施加共模瞬变，理论上在CMTI规格以内的冲击都无法改变输出状态。UL and VDE 0884-11 并没有要求强制通过动态CMTI的测试，和静态CMTI的要求一样，动态CMTI的冲击下，输出也应当保持正常，如果CMTI的能力不够强， 会出现类似missing pulse, excessive propagation delay（传播延时过大）, high or low error 或者 output latch的错误， 如下图：

图2. 错误类型

CMTI在应用中的意义

高噪声瞬变会导致栅极驱动器失去信号完整性，或者“毛刺”，从而导致系统调制失败;或者更糟的是，生成一个伪信号，其可能触发两个功率MOSFET同时接通，从而引发危险的电气短路情况。高瞬变也可能造成栅极驱动器进入一种永久的闩锁状态，这也会引发危险情况。
控制电源开关的栅极驱动器的设计必须能够承受这些噪声瞬变，同时不会造成毛刺或闩锁。驱动器承受这些共模噪声瞬变的能力被定义为共模瞬变抗扰度(CMTI)，它由大多数厂商通常列在其产品数据手册中的一项规格来定义，并以kV/µs为单位来表示。
在应用中，这种瞬态通常是由开关节点上的高dV/dt引起的。如图以光伏逆变器系统为例，隔离驱动器有一侧的地是悬浮的并且快速切换的。这里CMTI是一个关键指标，如果CMTI能力不够，可能会导致输出错误，可能会出现电路短路，影响系统安全。对其他应用比如电机驱动器，变频器也是如此。

图3. 典型光伏逆变器系统

那么应该怎么挑选CMTI参数呢？为了减少开关损耗而缩短上升下降时间，对CMTI的要求会变高。另外为了提高功率密度，节省成本，很多新的平台会考虑提高开关频率，甚至采用SiC或GaN，这同样会带来CMTI需求的变大。另外，实验证明， 具有高CMTI的器件在干扰大的环境中， EMC/EMI的性能会更好。比如一个1500V的变频器，64kHz的开关频率，50-ns的上升/下降时间需要最少30-V/ns的CMTI， 建议选择40V/ns以上。
在隔离电源转换器系统中，栅极驱动器需要被隔离以保持从首级侧到次级侧的隔离完整性。栅极驱动器通常为功率FET的栅极提供高达4A的开关电流。对于给定的FET栅极电容，电流驱动能力越强，开关速率就越快。下图显示了一个隔离栅极驱动器的简单原理图，其连接至一个电压达400V的功率FET的栅极。

图4.隔离栅极驱动器示例

隔离栅极驱动器解决方案

结隔离驱动器五级标题

结隔离驱动器有一个浮动的高压侧驱动器去适应高电压线路。对于这样的设备而言，最高额定电压约为600V。通常情况下，这些产品经济实惠，但具有较小的瞬变抑制力，很容易闩锁，从而造成永久损坏或安全危害。一般来说，用于支持信号完整性的CMTI规格是在10kV/µs范围之内，而用于支持闩锁抗扰的CMTI规格是在50 kV/µs范围之内。

光耦合驱动器

光耦合栅极驱动器都被真正地隔离(相对于浮动的高压侧驱动器)，而且它们已经存在了相当长的一段时间。典型光耦合驱动器的CMTI规格在10-20 kV/µs之间，而最新产品则拥有大为改善的性能，其CMTI值达到50 kV/µs(最小值)。

电容耦合和变压器耦合驱动器

除了结驱动器或光耦合驱动器之外，诸如电容耦合或变压器耦合解决方案等技术，也使性能提升了一大截。
请牢记我们的最终目标——实现可能的最快开关速率同时确保安全性——电容耦合和变压器耦合驱动器的最大优势在于，他们能够承受极高的噪声瞬变，而又不会丢失数据并不会被闩锁。一些最新的变压器耦合栅极驱动器的CMTI规范为50 kV/µs(最小值)，而这仍然不能满足我们所考虑的最高效率系统。
最新的电容耦合解决方案也有相应的CMTI规范，支持信号完整性的CMTI为200 kV/µs(最小值)，支持闩锁抗扰的CMTI为400 kV/µs(最大值)。这是业界领先的性能，且最适合当今的新型高频系统设计。
使用电容耦合隔离驱动器还有一些其它的优势。它们非常快速(低延迟)，并且信道之间和器件之间的一致性优于其它解决方案。与一些流行的光耦栅极驱动器相比，其传输时延(延迟)性能要好10倍之多，同时器件之间的一致性也要好10倍甚至更多。这种一致性为设计人员提供了另一项关键优势——系统的整体调制方案可以进行微调以实现最高效率和安全性，而无需去适应规格变动。
这些驱动器还允许较低电压操作(相比5V的2.5V)，以及更宽的工作温度范围(-40℃至125℃，而光耦合驱动器仅为-40℃至105℃)。此类驱动器还提供其它先进的特性，例如输入噪声滤波器、异步关断能力，以及在同一个封装中的诸如半桥或双通道独立驱动器等多种配置。
产品的安全性和长期可靠性也是这些应用中的关注重点，并且考虑这些属性也是非常重要的。另外，新型驱动器在高电压条件下的额定工作寿命为60年，比其它任何可比的解决方案都更长。
资料整理于TI网站

最后，有什么问题可以留言，作者看到会及时回复。 长按关注微信公众号，提供了免费的资料下载，包括硬件基础知识、开关电源设计资料、求职资料等等~