數(shù)字隔離器件的選型與應(yīng)用詳解

引言

數(shù)字隔離技術(shù)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)總線、軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子設(shè)備中，尤其是一些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)的傳輸。使用隔離電路的一個(gè)首要原因是為了消除噪聲。另一個(gè)重要原因是保護(hù)器件(或人)免受高電壓的危害。廠商的產(chǎn)品手冊(cè)中所列出的隔離等級(jí)(isolation rating)應(yīng)符合美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 (UL 1577)、國際電工委員會(huì) (IEC 60747-5-2、IEC 61010-1)以及加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (CSA Component Acceptance Notice 5A) 制定的有關(guān)隔離器標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字隔離器件的生產(chǎn)商很多，如安華高、TI、ADI、NVE(nonvolatile electronics Inc)、芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Laboratories)等公司，各廠商的產(chǎn)品都得到了廣泛的應(yīng)用。依照數(shù)字式隔離電路的生產(chǎn)工藝、電氣結(jié)構(gòu)和傳輸原理，數(shù)字隔離電路主要分為光學(xué)、電感以及電容耦合技術(shù)的數(shù)字隔離器件。產(chǎn)品有消費(fèi)設(shè)備、工業(yè)控制、軍用、航空航天等多個(gè)級(jí)別供用戶選擇。

各類數(shù)字隔離器件的工作原理及特點(diǎn)

光電隔離器

光耦合器(optical coupler)也叫光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號(hào)的器件。發(fā)光器(紅外線發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏半導(dǎo)體管)被封裝在同一管殼內(nèi)，當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得了廣泛的應(yīng)用。其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡單，主要由砷化鎵紅外發(fā)光二極管和用作檢測(cè)器的光敏二極管或三極管組成，有些產(chǎn)品在光敏二極管或三極管的后級(jí)添加一些處理電路，使其特性適合于一些特殊的應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn)接口。安華高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框圖如圖1所示。

圖1 安華高公司耦合器HCPL-0723的原理框圖

光耦合長久以來一直用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，電氣層接口的早期參考設(shè)計(jì)中通常包括光耦合器。其主要優(yōu)勢(shì)是光線具有抗外部電磁場(chǎng)干擾的固有特性，而且光耦合可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)信息的傳輸。不足之處在于傳輸速度有限、功耗大并且發(fā)光二極管(LED)易受時(shí)間及溫度的影響而老化。

電感式隔離器

與光耦合一樣，電感耦合也有較長的應(yīng)用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數(shù)字器件。但隨著制造工藝的進(jìn)步和研發(fā)設(shè)計(jì)水平的提高，電感式數(shù)字隔離器件得到了迅速的發(fā)展和廣泛的運(yùn)用。

電感耦合使用不斷變化的磁場(chǎng)來通過隔離層實(shí)現(xiàn)通信。電感耦合的優(yōu)勢(shì)之一是可以在不明顯降低差模信號(hào)的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換效率極高，因而可以實(shí)現(xiàn)低功耗隔離器。缺點(diǎn)之一是易受外部磁場(chǎng)(噪聲)的干擾。馬達(dá)控制等工業(yè)應(yīng)用在磁場(chǎng)環(huán)境中通常需要隔離。電感耦合另一個(gè)值得關(guān)注的問題是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)游程長度(Data run-length，連續(xù)“1”或“0”的數(shù)目)的傳輸。初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的耦合能夠以可接受的衰減量傳遞一定頻率范圍的信號(hào)。數(shù)據(jù)游程長度的限制或時(shí)鐘編碼要求信號(hào)必須保持在變壓器的可用帶寬范圍內(nèi)。使用電感耦合的通用數(shù)字隔離器需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理才能傳輸并重建數(shù)字信號(hào)，以及傳輸代表一長串“1”或“0”的低頻信號(hào)，甚至直流電平。

變壓器是一個(gè)最常見的例子：初級(jí)繞組及次級(jí)繞組的結(jié)構(gòu)(單位長度的圈數(shù))、磁芯介電常數(shù)以及電流強(qiáng)度決定了磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)對(duì)數(shù)字信號(hào)編解碼的不同，主要有以采用脈沖調(diào)制(ADI公司)和射頻調(diào)制(芯科實(shí)驗(yàn)室)為主的兩類產(chǎn)品。而采用巨磁電阻(GMR)效應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字隔離器件是另一個(gè)例子，以NVE公司和安華高公司為代表。

脈沖調(diào)制變壓器隔離器件

ADI公司的iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)字隔離器件。平面變壓器采用CMOS金屬層，頂部鍍了一層金用于鈍化。在鍍金層下面的抗高擊穿電壓的聚酰亞胺層將其頂部的變壓器線圈和底部線圈隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路為每個(gè)變壓器及其外部信號(hào)之間提供接口。晶片級(jí)信號(hào)處理提供了一種在單顆芯片中集成多個(gè)隔離通道以及其它半導(dǎo)體功能的低成本方法。iCoupler技術(shù)消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90%，并且無需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件。

數(shù)字信號(hào)的傳送是通過發(fā)送大約1ns寬的短脈沖到變壓器另一端來實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)連續(xù)的短脈沖表示一個(gè)上升沿，單個(gè)短脈沖表示下降沿。信號(hào)傳送框圖如圖2所示。次級(jí)端有一個(gè)不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測(cè)脈沖。如果檢測(cè)到兩個(gè)脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測(cè)到單個(gè)脈沖，輸出就置為低電平。采用一個(gè)輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒有檢測(cè)到信號(hào)邊緣，發(fā)送刷新脈沖信號(hào)給變壓器來保證直流的正確性(直流校正功能)。如果輸入為高電平，就產(chǎn)生兩個(gè)連續(xù)的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產(chǎn)生單個(gè)短脈沖刷新。這對(duì)于上電狀態(tài)和具有低數(shù)據(jù)速率的輸入波形或恒定的直流輸入是很重要的。為了補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)器端的刷新電路，在接收器端采用了一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器來保證在沒有檢測(cè)到刷新脈沖時(shí)，輸出處于一種故障安全狀態(tài)。ADI公司ADuM1100器件原理框圖如圖3所示。

圖2 ADI公司iCoupler系列數(shù)字信號(hào)傳輸框圖

圖3 ADI公司ADuM1100器件原理框圖

射頻調(diào)制變壓器隔離器件

芯科實(shí)驗(yàn)室公司是采用射頻調(diào)制變壓器技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)數(shù)字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)全CMOS工藝制造多組芯片級(jí)變壓器，能夠提供整合度最高的4通道隔離功能。產(chǎn)品中采用的射頻編碼和譯碼機(jī)制使得不需要特別考慮或初始設(shè)定，就能提供可靠的隔離數(shù)據(jù)路徑。芯科實(shí)驗(yàn)室公司產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與ADI公司的產(chǎn)品類似，但也有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)。由于采用射頻調(diào)制，內(nèi)部有2.1GHz的載波產(chǎn)生及檢測(cè)，載波和諧波會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生電磁輻射，不過電磁輻射值滿足FCC(美國通信委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)要求。該公司射頻調(diào)制隔離器件的實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖4所示。

圖4 射頻調(diào)制隔離器件實(shí)現(xiàn)原理框圖

巨磁電阻隔離器件

NVE公司的IL系列和安華高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速數(shù)字隔離器件是采用巨磁電阻技術(shù)集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號(hào)在低電感線圈感應(yīng)電流，產(chǎn)生正比的磁場(chǎng)?？偟拇艌?chǎng)改變GMR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號(hào)的精確重生。該類器件優(yōu)點(diǎn)與別的電感式器件類似，但有幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)：上電或初始狀態(tài)時(shí)輸入與輸出可能狀態(tài)不一致;對(duì)輸入噪聲敏感，伴隨一個(gè)噪聲尖峰，輸出不穩(wěn)定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會(huì)振蕩;對(duì)較緩的脈沖上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會(huì)振蕩;輸出有過沖;無直流校正功能，無法傳輸直流信號(hào)。NVE公司巨磁電阻隔離器件IL710的實(shí)現(xiàn)原理圖如圖5所示。

圖5 NVE公司IL710實(shí)現(xiàn)原理框圖

電容耦合隔離器件

電容耦合使用不斷變化的電場(chǎng)來通過隔離層實(shí)現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體(二氧化硅)，即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩(wěn)定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態(tài)電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質(zhì)材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優(yōu)勢(shì)是效率高，無論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場(chǎng)干擾方面均如此。這種高效特性使得實(shí)現(xiàn)低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能?？垢蓴_性則使得器件可以在飽和或密集磁場(chǎng)環(huán)境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點(diǎn)在于無差分信號(hào)，并且噪聲與信號(hào)共用同一條傳輸通道。這就要求信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗而對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，并需要時(shí)鐘編碼數(shù)據(jù)。

TI公司的ISO72x系列數(shù)字隔離器采用電容耦合技術(shù)。電容耦合解決方案使用了經(jīng)過驗(yàn)證的低成本制造工藝，能夠提供固有的抗磁場(chǎng)干擾特性。ISO72x使用“AC”與“DC”兩種通道進(jìn)行通信，如圖6所示。“AC”通道不經(jīng)過編碼，而是經(jīng)單端至差分轉(zhuǎn)換后直接通過隔離層傳輸數(shù)據(jù)。差分信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可抑制接收機(jī)的共模噪聲。共模抑制與耦合介質(zhì)(對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗，對(duì)高頻數(shù)據(jù)呈現(xiàn)低阻抗)共同實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)抗干擾功能。“DC”通道將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制(PWM)格式，并使用差分方式通過隔離層傳輸數(shù)據(jù)。PWM與隔離層接收側(cè)的脈寬解調(diào)器(PWD)可確保穩(wěn)態(tài)條件(1或0的長字符串)下能夠正確通信。此外，“DC”通道還可提供自動(dòng)防護(hù)功能。自動(dòng)防護(hù)指的是在出現(xiàn)輸入故障的情況下對(duì)輸出狀態(tài)的判斷。ISO72x系列器件使用載波檢測(cè)功能來確定輸入結(jié)構(gòu)的電源是否處于“開啟”以及該結(jié)構(gòu)是否正在運(yùn)行。如果該載波檢測(cè)器在4ms內(nèi)未檢測(cè)到脈沖，則會(huì)將輸出設(shè)置為邏輯高電平。

圖6 TI公司ISO72X系列實(shí)現(xiàn)原理框圖

各類數(shù)字隔離器件性能比較

表1對(duì)各類數(shù)字隔離器件的性能指標(biāo)進(jìn)行了歸納比較，供研發(fā)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)參考。各公司的隔離器件只要通道數(shù)相同，都采用相同的封裝，引腳相互兼容，僅有部分引腳定義稍有差異，大多數(shù)情況下都可相互替換。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可根據(jù)具體需要選擇不同公司的產(chǎn)品，也可在調(diào)試時(shí)更換，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)留下了更多的選擇空間。

應(yīng)用實(shí)例

ADuM1100應(yīng)用

某便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)收發(fā)模塊需向信號(hào)處理模塊提供0、1電平的狀態(tài)線1根和40MHz方波時(shí)鐘，系統(tǒng)要求信號(hào)處理模塊需對(duì)這兩根信號(hào)線進(jìn)行隔離接收。最初設(shè)計(jì)時(shí)選用了安華高公司的光電隔離器HCPL-063實(shí)現(xiàn)狀態(tài)線的隔離，NVE公司的IL710實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的隔離。改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，電路板不變，充分利用ADI公司ADuM系列隔離器件的直流校正功能，直接用ADuM1100替代HCPL-063和IL710，實(shí)驗(yàn)結(jié)果性能良好。當(dāng)然，也可用TI公司的ISO721替代。若電路板重新設(shè)計(jì)，則可選用雙通道具有直流校正功能的隔離器件，如ADI公司的ADuM1200或TI公司的ISO7220，來替代單通道的HCPL-063和IL710器件。

ADuM5241應(yīng)用

某通信設(shè)備的控制模塊需與外部設(shè)備通過RS-422異步串口進(jìn)行通信，系統(tǒng)要求通信設(shè)備的控制模塊內(nèi)異步串口需與其它電路進(jìn)行隔離。開始設(shè)計(jì)時(shí)，選用TI公司的隔離電源轉(zhuǎn)換芯片DCR01，將內(nèi)部一路+5V電源轉(zhuǎn)換成一路單獨(dú)+5V，給隔離芯片IL712和電平轉(zhuǎn)換芯片RS422供電，隔離所需電源的電流大約為5mA。改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，由于ADI公司的ADuM5241除了實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離作用外，還內(nèi)置了DC/DC轉(zhuǎn)換器，能向該芯片隔離端提供電源，并向采用5V電源的各種應(yīng)用提供高達(dá)10mA的電流。故采用ADuM5241器件代替DCR01和IL712器件，實(shí)現(xiàn)了同樣的功能，同時(shí)節(jié)約了空間，減少了器件，降低了成本。

結(jié)語

隨著數(shù)字電路和通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)字隔離器件得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了最新幾種數(shù)字隔離技術(shù)及器件的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)師可根據(jù)具體的電路特點(diǎn)，選擇合適的數(shù)字隔離器件。