正確選擇數字隔離器的三要素

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。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。

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。

傳統隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響。它們的功耗極高，而且數據速率低于1 Mbps.雖然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。

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。

安全標準通常規定1分鐘耐壓額定值（典型值2.5kVrms至5kVrms）和工作電壓（典型值125Vrms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50μs）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供最佳的隔離特性，如表1所示。


表1：隔離特性

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15μm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26μm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發出的光。

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（1ns），因此平均電流很低。


圖1. （a）帶厚聚酰亞胺絕緣層的互感器，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。

互感器采用差分連接，提供高達100kV/μs的出色共模瞬變抗擾度（光耦合器通常約為15kV/μs）。磁性耦合對變壓器線圈間距離的敏感性也弱于容性耦合對板間距離的依賴性，因此，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。

除整體性能外，使用該變壓器還有其他好處：它們支持集成隔離電源。ADI的isoPower技術集成帶數據隔離功能的隔離式DC-DC轉換器，可創建完整的隔離解決方案。畢竟，變壓器是隔離式DC-DC轉換器的關鍵元件。基于電容或基于LED的隔離器無法實現這類解決方案。