數字隔離器選型及應用經驗談

數字隔離器是電子系統中，數字信號和模擬信號進行傳遞時，使其且具有很高的電阻隔離特性，以實現電子系統與用戶之間的隔離的一種芯片。設計人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規或者降低接地環路的噪聲等。電流隔離確保數據傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。

隔離器主要是用在隔離高壓(危險電路)系統和低壓(安全電路)系統之間的電氣連接，以保護用戶以及電路系統安全，以及隔離敏感電路(比如高精度檢測電路)和噪聲源(例如大功率開關電源)之間的連接，以減小噪聲干擾。

隔離器的主要結構大致有四種: 一是傳統光電耦合; 二是集成式變壓器(磁耦合);三是集成式電容耦合; 四是分立式變壓器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管(LED)，使之發出一定波長的光，被光檢測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。它的主要優點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。

多年來，工業、醫療和其他隔離系統的設計人員實現安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。 隨著近幾年數據傳輸的速度不斷提升，傳統的光耦合器也暴露出一些缺點，例如，整個電路體積大，集成度不高，而且光電耦合器件本身具有易損耗、速度較慢(一般的數據速率低于1Mbps)、耗電量大等缺點，特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩定，為其應用帶來局限，特別是在工業應用中這些問題就比較突出。為了克服光電隔離技術的諸多缺點，許多半導體公司開始研發不發光的隔離器解決方案。如今，數字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優勢。了解數字隔離器三個關鍵要素的特點及其相互關系，對于正確選擇數字隔離器十分重要。這三個要素是：絕緣材料、結構和數據傳輸方法。

數字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關的不利影響。數字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節省成本和功耗，同時大大提高數據速率。數字隔離器由上述要素界定。絕緣材料決定其固有的隔離能力，所選材料必須符合安全標準。結構和數據傳輸方法的選擇應以克服上述不利影響為目的。所有三個要素必須互相配合以平衡設計目標，但有一個目標必須不折不扣地實現，那就是符合安全法規。

絕緣材料

數字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標準材料會使生產復雜化，導致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

圖1. (a) 帶厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器，電流脈沖產生磁場，在另一個線圈中感生電流;(b) 帶薄SiO2絕緣層的電容，利用低電流電場將數據耦合到隔離柵的另一端。

表1. 基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提供最佳的隔離特性

安全標準通常規定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms至400 V rms)。某些標準也會規定更短的持續時間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續50 μs)作為增強絕緣認證的一部分要求。基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提高最佳的隔離特性，如表1所示。

基于聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時壽命更長。基于SiO2的隔離器對浪涌的防護能力相對較弱，不能用于醫療和其他應用。

各種薄膜的固有應力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應力低于SiO2薄膜，可以根據需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限;超過15 μm時，應力可能會導致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層。基于聚酰亞胺的數字隔離器可以使用厚達26 μm的隔離層。

隔離器結構

數字隔離器使用變壓器或電容將數據以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED光。

如圖1所示，變壓器電流脈沖通過一個線圈，形成一個很小的局部磁場，從而在另一個線圈生成感應電流。電流脈沖很短(1 ns)，因此平均電流很低。

變壓采用差分連接，提供高達100 kV/μs的出色共模瞬變抗擾度(光耦合器通常約為15 kV/μs)。磁性耦合對變壓器線圈間距離的依賴性也弱于容性耦合對板間距離的依賴性，因此，變壓變壓器線圈之間的絕緣層可以更厚，從而獲得更高的隔離能力。結合聚酰亞胺薄膜的低應力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實現高級隔離性能。

電容為單端連接，更容易受共模瞬變影響。雖然可以用差分電容對來彌補，但這會增大尺寸并提高成本。

電容的優勢之一是它使用低電流來產生耦合電場。當數據速率較高時(25 Mbps以上)，這一優勢就相當明顯。

數據傳輸方法

光耦合器使用LED發出的光將數據傳輸到隔離柵的另一端：LED點亮時表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當LED點亮時，光耦合器需要消耗電能;對于關注功耗的應用，光耦合器不是一個好的選擇。多數光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調理留給設計人員實現，而這并不一定是非常簡單的工作。

數字隔離器使用更先進的電路來編碼和解碼數據，支持更快的數據傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復雜的雙向接口。

一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅動變壓器(圖2)。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因為不像光耦合器，電源無需連續提供給器件。器件中可以包括刷新電路，以便定期更新直流電平。

圖2. 一種數據傳輸方法是將邊沿編碼為單脈沖或雙脈沖

另一種方法是使用RF調制信號，其使用方式與光耦合器使用光的方式非常相似，邏輯高電平信號將引起連續RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因為邏輯高電平信號需要持續消耗電能。

也可以采用差分技術來提供共模抑制，不過，這些技術最好配合變壓器等差分元件使用。

選擇正確的組合

數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優勢。在數字隔離器領域，不同的絕緣材料、結構和數據傳輸方法組合造就不同的產品，而不同的產品適合不同的具體應用。如上所述，基于聚合物的材料提供最魯棒的隔離能力，這種材料幾乎適合所有應用，但醫療保健和重工業設備等要求最嚴格的應用受益最大。為了實現最魯棒的隔離，聚酰亞胺厚度可以超過對電容而言的合理厚度;因此，基于電容的隔離最適合不需要安全隔離的功能隔離應用。在這種情況下，基于變壓器的隔離可能是最合理的，特別是結合差分數據傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。