высоковольтной синфазной помехи

Область техники

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к устройствам защиты драйверов силовых ключей от высоковольтной синфазной помехи.

Предшествующий уровень техники

Оптически развязанный драйвер силового ключа, как правило, состоит из оптической пары светодиод - фотодиод и усилителя фототока до уровня, необходимого для нормальной работы силового ключа, расположенных в одном корпусе. При этом фотодиод и усилитель фототока (приемная часть) реализованы на едином кристалле, над которым расположен светодиод (передающая часть). Параметр «максимальное напряжение изоляции» - достигается применением высоковольтного изолирующего слоя, но одним из главных параметром такого драйвера является устойчивость приемной части к высоковольтной синфазной помехе со стороны передающей части. Такая помеха возникает при быстром изменении напряжения между передающей и приемной частью, при этом заряжается или разряжается емкость изоляции. Ток заряда/разряда (ток помехи) проходит через структуру фотодиода и элементы усилителя фототока и может вызывать ложное срабатывание.

Топология усилителя фототока предполагает полное покрытие схемы слоем металла, подключенного к общему проводу приемной части. При этом, часть тока заряда/разряда емкости изоляции проходит через этот экран, минуя элементы усилителя фототока. Но данное решение не подходит для фотодиода, который нельзя покрывать металлом из-за оптической непрозрачности металла. Таким образом, фотодиод остается наиболее уязвимым местом приемной части при воздействии высоковольтной синфазной помехи.

Расчетные значения тока заряда/разряда через площадь фотодиода становятся сравнимы с величиной фототока уже при скоростях изменении напряжения между передающей и приемной частью в 10 - 15 кВ/мкс.

Существует несколько способов защиты от высоковольтной синфазной помехи, которые можно разделить на две группы: конструктивные и схемо- топологические.

При конструктивных способах защиты используется токопроводящий оптически - прозрачный экран, который размещается между приемной частью и высоковольтной изоляцией на этапе сборки корпуса с последующим подключением к общему проводу приемной части. Данное решение увеличивает сложность изготовления и стоимость готового изделия. Другой вид реализация экранирования - это нанесение токопроводящего и оптически прозрачного слоя оксида индия-олова непосредственно на кристалл приемной части (1 ). При этом упрощается сборка кристалла, но стоимость такой операции также высока.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство - патент США (2), взятый за прототип, в котором схемо-топологические способы подразумевают применение фиктивных элементов для улавливания тока заряда/разряда емкости изоляции с последующим вычитанием из тока помехи, который проходит через фотодиод. Но, данное решение не лишено недостатков. Применение двух усилителей токов фотодиода с последующим W 201

3

сравнением на компараторе требует использование специальной схемы коррекции начального напряжения смещения (оффсета) усилителей и компаратора, о чем и упоминается в статье. При производстве такой схемы в стандартной КМОП технологии уровень такого напряжения (оффсет) может достигать 5 мВ. Борьба с таким напряжением выливается либо в организацию специальной схемы, которая требует время для автоподстройки, а, следовательно, увеличивает время готовности к работе драйвера, либо в подстройку этого напряжения на этапе производства каждого кристалла, что также удорожает производство.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является повышение эффективности защиты драйвера силового ключа от высоковольтной синфазной помехи.

Технический результат достигается тем, что оптически развязанный драйвер силового ключа, содержащий светодиод в качестве передающей части, фотодиод в качестве приемной части, электрически подключенный к одному входу операционного усилителя с расположением на одном кристалле, компаратор, отличается тем, что содержит дополнительный фотодиод на этом же кристалле, покрытый слоем непрозрачного металла, электрически подключенный к другому входу операционного усилителя вместе с источником опорного напряжения и вышеуказанным слоем непрозрачного металла, в качестве защиты от высоковольтной синфазной помехи, выход операционного усилителя электрически подключен к одному входу компаратора и драйвер содержит второй источник опорного напряжения, который электрически подключен к другому входу компаратора. На чертежах изображено:

На фиг. 1 - электрическая схема входной части оптически развязанного драйвера силового ключа с защитой от высоковольтной синфазной помехи.

На фиг. 2 - структурная схема оптически-развязанного драйвера с реализацией защиты от высоковольтной синфазной помехи.

На фиг. 3 - возможная схема расположения фотодиодов.

На фиг. 4. представлен другой вариант возможной схемы расположения фотодиодов.

На фиг. 1 представлена электрическая схема входной части оптически развязанного драйвера силового ключа с защитой от высоковольтной синфазной помехи. За основу взята схема трансимпедансного усилителя фототока, обладающая высоким быстродействием. Два одинаковых фотодиода VD2 и VD1 подключены к положительному и отрицательному входам операционного усилителя U1. К положительному входу через сопротивление R2 подключен источник опорного напряжения REF1. С выхода операционного усилителя подключено сопротивления R1 к отрицательному входу для формирования обратной связи. Фотодиод VD1 , подключенный к отрицательному входу операционного усилителя, является рабочим. Дополнительный фотодиод VD2, подключенный к положительному входу операционного усилителя U1 , является «пустышкой». Этот фотодиод VD2 накрыт сверху слоем непрозрачного металла, который в свою очередь подключен к катоду фотодиода VD2. Напряжение с выхода усилителя U1 сравнивается с опорным напряжением REF2 с помощью компаратора U2, цифровой выход которого подается на дальнейшую схему. На фиг. 2 представлена структурная схема оптически-развязанного драйвера с реализацией защиты от высоковольтной синфазной помехи. Светодиод (передающая часть) располагается над кристаллом с фотодиодами VD1 и VD2 и схемой операционного усилителя U1 фототока. Вся поверхность кристалла кроме области с фотодиодами VD1 и VD2, закрыта слоем металла, который соединен с общим выводом приемной части. Рабочий фотодиод VD1 и дополнительный фотодиод VD2 имеют равную площадь и располагаются симметрично относительно оптического центра светодиода. Дополнительный фотодиод VD2 так же покрыт металлом, но этот слой подключается к положительному входу операционного усилителя U1. Между светодиодом и фотодиодами VD1 и VD2 образуются паразитные емкости С1 и С2, при симметричном расположении фотодиодов VD1 и VD2 и равенстве их площадей, образующиеся паразитные емкости С1 и С2 будут равны (площадь экрана дополнительного фотодиода VD2 равна его площади). Так как расстояние от светодиода до фотодиодов VD1 и VD2 много больше толщины слоя металла на поверхности дополнительного фотодиода VD2, разницей в расстоянии между рабочим фотодиодом VD1 и дополнительным фотодиодом VD2 до светодиода, можно пренебречь.

Статика

На фиг. 1 , фотодиоды VD1 и VD2 подключены анодами к общему выводу, что очень удобно в интегральном исполнении с кристаллом Р-типа проводимости. Источник опорного напряжения REF1 создает начальное напряжение смещения. Операционный усилитель U1 , охваченный обратной связью через R1 , создает такое же напряжение и на катоде рабочего фотодиода VD1 , смещая его в обратном направлении, тем самым уменьшая емкость его р-п перехода и увеличивая быстродействие схемы. Фототок, проходящий через рабочий фотодиод VD1 , уменьшает потенциал его катода, на что операционный усилитель U1 отвечает повышением напряжения на своем выходе. Это напряжение сравнивается с опорным напряжением опорного источника REF2 на компараторе U2, после чего образуется сигнал логического уровня. Опорное напряжение опорного источника REF2 несколько выше опорного напряжения опорного источника REF1 , чтобы повысить устойчивость схемы к наличию начального напряжения смещения (оффсета) усилителя U1 и компаратора U2. Увеличение опорного напряжения опорного источника REF1 повышает быстродействие схемы, но снижает диапазон усиливаемого фототока, т.к. слишком большой фототок вводит в насыщение выходной каскад операционного усилителя U1 . Опорным напряжением опорного источника REF2 устанавливается порог чувствительности усилителя U1 к фототоку. Значением резистора R1 выбирается такой коэффициент усиления, чтобы при максимальном значении фототока выходной каскад операционного усилителя U1 не входил в насыщение. Дополнительный фотодиод VD2 не оказывает на схему никакого влияния в статическом положении, создавая на положительном входе усилителя U1 лишь дополнительную блокировочную емкость.

Динамика

При попадании рабочего излучения на кристалл со стороны светодиода фототок образуется только в рабочем фотодиоде VD1 , который затем усиливается операционным усилителем U1 . При этом накрытый металлом дополнительный фотодиод VD2 является «пустышкой» и не производит фототока, и нисколько не меняет потенциала своего катода, не оказывая влияния на схему.

При воздействии высоковольтной синфазной помехи через одинаковые емкости С1 и С2 на входах операционного усилителя U1 возникают одинаковые импульсы напряжения, которые операционный усилитель U1 воспринимает как синфазный сигнал и не усиливает его. Необходимость установки дополнительного фотодиода VD2 вместо имитирующей его емкости обусловлена зависимостью этой емкости от напряжения. Таким образом, одинаковые фотодиоды VD1 и VD2 на входах операционного усилителя U1 создают одинаковый импеданс для наведенной синфазной помехи во всем диапазоне ее напряжений. Для этой цели также установлен резистор R2, который по номиналу равен R1. При исполнении схемы на реальных элементах следует учитывать разницу выходных сопротивлений операционного усилителя U1 и источника опорного напряжения REF1. При этом потребуется корректирование сопротивления R2 для получения равных импедансов на входах операционного усилителя U1.

Для обеспечения высокого подавления синфазной помехи, применяется схема операционного усилителя с высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) порядка 65... 100 дБ

Реализация топологии

На фиг. 3 представлена возможная схема расположения фотодиодов. Рабочие фотодиоды VD1 и дополнительные фотодиоды VD2 расположены в шахматном порядке. Количество рабочих фотодиодов VD1 и дополнительных фотодиодов VD2 одинаковое. Оптический центр светового пятна светодиода совпадает с геометрическим центром массива фотодиодов. Данная схема расположения обеспечивает формирование одинаковых паразитных емкостей между фотодиодами VD1 , VD2 и светодиодом, а также гарантирует идентичность емкостей p-η переходов фотодиодов VD1 и VD2, что значительно упрощает проектирование топологии.

На фиг. 4 представлена иная возможная схема расположения фотодиодов. В центре располагается рабочий фотодиод VD1. Вокруг него по периметру располагается дополнительный фотодиод VD2. Площадь рабочего фотодиода VD1 и дополнительного фотодиода VD2 равны. Данная схема расположения обеспечивает формирование одинаковых паразитных емкостей между фотодиодами и светодиодом, но имеет сложности в уравнивании емкостей p-η переходов, что потребует несколько итераций извлечения паразитных емкостей при проектировании. Но, в отличии от предыдущей схемы, имеет большую чувствительность к световому излучению, так как световое пятно от светодиода имеет градиентный характер с максимумом в центре.

Улучшения относительно прототипа

Предложенная схема оптически развязанного драйвера силового ключа с защитой от высоковольтной синфазной помехи для реализации защиты использует схемо-топологические решения, которые внедряются еще на этапе проектирования кристалла приемной части, что позволяет отказаться от дорогостоящего и сложного этапа установки экрана при сборке корпуса устройства. В отличие от схемотехнического решения, предложенного в патенте (2), описанная выше схема проще в реализации, так как имеет лишь один операционный усилитель, обладает большим быстродействием благодаря начальному смещению фотодиода, и лишена такого существенного недостатка, как восприимчивость к начальному напряжению смещения усилителей и компаратора (оффсету). Также следует заметить, что в прототипе фактическое вычитание сигналов от фотодиодов, созданных помехой, происходит на входе компаратора уже после их усиления. Следовательно, усилители должны иметь одинаковую полосу пропускания в очень широком диапазоне частот, ведь время воздействия синфазной помехи составляет несколько десятков наносекунд. Создание идентичных усилителей при условии наличия разброса параметров всех элементов в процессе производства крайне трудная задача. В предложенной нами схеме вычитание сигналов от фотодиодов происходит непосредственно перед усилением, что не предъявляет высоких требований к проектированию усилителя. Результаты моделирования показывают нечувствительность схемы к синфазной помехе при разбросе емкостей С1 и С2 в 20%, такая величина разброса емкости возможна в процессе производства.

Литература:

1. Патент США US7919781 от 5.04.201 1 «Galvanic isolator having improved high voltage common mode transient immunity», МПК H01 L 27/15

2. Патент США US6841771 от 1 1.01.2005 «Optical coupling device and light- receiving circuit of same», МПК H01 J 40/14, H03F 3/08