數(shù)字隔離器選型及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)談

數(shù)字隔離器是電子系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行傳遞時(shí)，使其且具有很高的電阻隔離特性，以實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)與用戶之間的隔離的一種芯片。設(shè)計(jì)人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，隔離會(huì)帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在盡可能減小不利影響的同時(shí)滿足安全要求。

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

隔離器的主要結(jié)構(gòu)大致有四種: 一是傳統(tǒng)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(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光檢測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。它的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。

多年來，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔粩嗵嵘瑐鹘y(tǒng)的光耦合器也暴露出一些缺點(diǎn)，例如，整個(gè)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(shù)據(jù)速率低于1Mbps)、耗電量大等缺點(diǎn)，特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩(wěn)定，為其應(yīng)用帶來局限，特別是在工業(yè)應(yīng)用中這些問題就比較突出。為了克服光電隔離技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，許多半導(dǎo)體公司開始研發(fā)不發(fā)光的隔離器解決方案。如今，數(shù)字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優(yōu)勢(shì)。了解數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵要素的特點(diǎn)及其相互關(guān)系，對(duì)于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個(gè)要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。

數(shù)字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關(guān)的不利影響。數(shù)字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節(jié)省成本和功耗，同時(shí)大大提高數(shù)據(jù)速率。數(shù)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(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的選擇應(yīng)以克服上述不利影響為目的。所有三個(gè)要素必須互相配合以平衡設(shè)計(jì)目標(biāo)，但有一個(gè)目標(biāo)必須不折不扣地實(shí)現(xiàn)，那就是符合安全法規(guī)。

絕緣材料

數(shù)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(biāo)準(zhǔn)材料會(huì)使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)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(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ)，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(chǎn)生磁場(chǎng)，在另一個(gè)線圈中感生電流;(b) 帶薄SiO2絕緣層的電容，利用低電流電場(chǎng)將數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)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(biāo)準(zhǔn)也會(huì)規(guī)定更短的持續(xù)時(shí)間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續(xù)50 μs)作為增強(qiáng)絕緣認(rèn)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(shù)字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時(shí)壽命更長(zhǎng)。基于SiO2的隔離器對(duì)浪涌的防護(hù)能力相對(duì)較弱，不能用于醫(yī)療和其他應(yīng)用。

各種薄膜的固有應(yīng)力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力低于SiO2薄膜，可以根據(jù)需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會(huì)受限;超過15 μm時(shí)，應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)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(shù)字隔離器可以使用厚達(dá)26 μm的隔離層。

隔離器結(jié)構(gòu)

數(shù)字隔離器使用變壓器或電容將數(shù)據(jù)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(gè)線圈，形成一個(gè)很小的局部磁場(chǎng)，從而在另一個(gè)線圈生成感應(yīng)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(dá)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(duì)變壓器線圈間距離的依賴性也弱于容性耦合對(duì)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(jié)合聚酰亞胺薄膜的低應(yīng)力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實(shí)現(xiàn)高級(jí)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(duì)來彌補(bǔ)，但這會(huì)增大尺寸并提高成本。

電容的優(yōu)勢(shì)之一是它使用低電流來產(chǎn)生耦合電場(chǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高時(shí)(25 Mbps以上)，這一優(yōu)勢(shì)就相當(dāng)明顯。

數(shù)據(jù)傳輸方法

光耦合器使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁綦x柵的另一端：LED點(diǎn)亮?xí)r表示邏輯高電平，熄滅時(shí)表示邏輯低電平。當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，光耦合器需要消耗電能;對(duì)于關(guān)注功耗的應(yīng)用，光耦合器不是一個(gè)好的選擇。多數(shù)光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號(hào)調(diào)理留給設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)，而這并不一定是非常簡(jiǎn)單的工作。

數(shù)字隔離器使用更先進(jìn)的電路來編碼和解碼數(shù)據(jù)，支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復(fù)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(qū)動(dòng)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?yàn)椴幌窆怦詈掀?，電源無需連續(xù)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(shù)據(jù)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(diào)制信號(hào)，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(hào)將引起連續(xù)RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因?yàn)檫壿嫺唠娖叫盘?hào)需要持續(xù)消耗電能。

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

選擇正確的組合

數(shù)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(yōu)勢(shì)。在數(shù)字隔離器領(lǐng)域，不同的絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法組合造就不同的產(chǎn)品，而不同的產(chǎn)品適合不同的具體應(yīng)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(yīng)用，但醫(yī)療保健和重工業(yè)設(shè)備等要求最嚴(yán)格的應(yīng)用受益最大。為了實(shí)現(xiàn)最魯棒的隔離，聚酰亞胺厚度可以超過對(duì)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(yīng)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(jié)合差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。