工業自動化發展熱潮正不斷升溫，尤其是在可確保設備安全性和可靠性的隔離設計方面上更是涌現了巨量的設計需求，引來可觀的商機。

工業自動化四大技術挑戰

為了協助業界人士加速實現相關解決方案，本文除針對工業自動化目標市場的隔離應用，專注于可編程邏輯控制器（PLC）和工廠自動化的發展進行詳細的市場與技術分析外，也詳細說明了新型互補式金屬氧化物半導體（CMOS）數字隔離器相較于傳統光耦合隔離方案對工業自動化應用所帶來的顯著優勢。

工業自動化的發展道路上，所包含的許多技術挑戰包括：

第一：設備安全無法妥協

． 安全功能至關重要。

． 產品在高應力下性能必須穩定。

第二：高噪聲環境中的正常工作

． 工廠外部電／磁場的抗干擾性高。

． 高電壓瞬變噪聲的抗干擾能力強。

第三：產品使用壽命長

． 整個溫度范圍，不同VDD電壓，以及長期使用時，關鍵參數必須穩定。

． 在高應力下產品使用壽命長。

第四：高性能

． 產品性能必須世界頂尖。

． 低延遲和低延遲偏差以確保高效率和吞吐量。

基于上述的技術挑戰，適用于工業自動化的高性能隔離產品也必須是高安全，高抗干擾性與長壽命。 工廠存在很多高壓設備，透過隔離方案不僅能保護電子系統和人員，也能抑制噪聲以確保設備的可靠度和穩定性。 隨著工業自動化應用對相關設備的性能要求提升，內建隔離技術也開始發生轉變，傳統的隔離使用光耦合技術，由于先天的特性逐漸難以滿足工業自動化設計需求，包括可靠性較差、時序特性不佳、無余裕的共模瞬態噪聲免疫（CMTI）、能源效率低等，使業界開始將目光移至新型的CMOS電容耦合數字隔離器方案。

使用差分電容耦合技術 CMOS數字隔離器展高效

CMOS數字隔離器采用開關鍵控調制技術的CMOS設計，并使用差分電容耦合，可以達成高可靠度和穩定性，不會隨溫度、工作電壓和產品壽命而改變，另外還具備卓越的時序特性，包括低傳輸延時、低傳輸延遲偏差等。 更重要的是，CMOS數字隔離器具有高共模瞬態噪聲免疫（CMTI），而且相對于光耦，只需要較小的功率，因此可以降低總體系統功耗。 圖1及圖2為傳統光耦和CMOS數字隔離方案的比較。

圖1 傳統光耦隔離方案特性

圖2 新型CMOS數字隔離方案特性

新型數字隔離器提升PLC效能

其中，針對工業機器控制和制程的自動化，性能優異的可編程邏輯控制器（PLC）是一大關鍵。 以芯科實驗室（Silicon Labs）為例，為因應此一情況，該公司近期推出首款高速、多信道數字隔離器，便是鎖定PLC的應用需求。 新型Si838x數字隔離器（圖3）可為工廠自動化PLC提供優于光電耦合器的性能和使用壽命，其特性包含高速信道（高達2Mbit／s）、高信道整合度（每個設備最高可達八個信道）、雙極輸入彈性、高抗干擾性和2．5KVrms安全隔離等級。 此外，該產品適用于分布式過程控制系統中的可程序自動化控制器（PAC）。

圖3 Si838x數字隔離器有效解決PLC設計挑戰。

PLC廣泛部署在惡劣的工廠車間環境中，因此必須兼具可靠和精小特性。 許多PLC設計規模可達一百二十八個信道，并且有多個高速輸入。 盡管光電耦合器已經在過去幾十年中提供了默認隔離解決方案，但是它們也使得PLC設計人員面臨極大挑戰。 由于缺乏高速能力，光電耦合器無法滿足高性能PLC應用，例如伺服電機控制。

光電耦合器也缺乏高噪聲抑制能力，并且其性能會隨時間和溫度變化而下降，因此在高溫工業應用中會帶來可靠性風險。 然而，上述提到的Si838x系列可克服這些挑戰，其于精小QSOP封裝中提供了彈性、高速、多信道的雙極性隔離解決方案，相較于基于光電耦合器的解決方案，可提供更長的使用壽命和更高的可靠性。

隔離閘極驅動器可確實保護電機驅動應用／逆變器

另一方面，工業自動化對電機控制的要求也持續提高，這是由于AC交流感應電機驅動部分有多級是透過絕緣閘雙極晶體管（IGBT）給電機提供電能，必須透過高性能的隔離閘極驅動器為系統提供保護功能、并提供電流／電壓回饋用于環路控制。 業界人士選用驅動器的關鍵指針包括兩點，整合IGBT保護特性、低延遲、高噪聲免疫和支持寬廣工作溫度范圍；而對于電流感應的關鍵需求則是具備高噪聲免疫、低延遲、工作溫度范圍內的高精準度。

基于上述市場需求，再以Silicon Labs為例，該公司也發表了新一代Si828x ISOdriver隔離閘極驅動器系列（圖4），為逆變器和電機驅動應用提供保護。 該產品旨在保護電源逆變器和電機驅動應用中敏感的IGBT，提供了工業級的隔離等級（5kVrms）和較佳的特性整合：包括可選的DC－DC轉換器、較快的去飽和檢測、良好的計時特性，以及較佳的噪聲和瞬變抑制能力。

圖4 高整合度的Si828x降低了電機控制設計的復雜度。

另一方面，由于其中的許多系統工作時間預期要超過25年，并且運行環境惡劣，而隔離器可能成為這些系統中首要的故障點和壽命限制組件。 傳統的基于光耦的隔離器受到工作溫度范圍、噪聲干擾和產品壽命的極大限制，而該系列隔離閘極驅動器采用基于Silicon Labs旗下的CMOS隔離技術，能夠在整個工業溫度范圍內工作，支持長達100年的產品使用壽命，同時能滿足嚴格的UL、VDE、CQC和CSA標準，進而為工業電機驅動、太陽能逆變器、高壓電源轉換器、不間斷電源，以及暖氣 、通風和空氣調節（HVAC）壓縮機控制提供理想的解決方案。

為因應工業自動化，除了上述提到的數字隔離解決方案之外，用戶還可運用其他隔離產品，如包括針對電源隔離的數字隔離器、可提升開關電源安全性的驅動器，以及能夠準確測量高電壓系統電流的隔離放大器等等；另外，完善的評估套件和開發工具，也能為工業自動化設備開發人員提供了完整的隔離技術支持。