第二代數(shù)字電容隔離器定義高性能新標準

　　盡管數(shù)字隔離器已經(jīng)代替了模擬隔離器，從而簡化了隔離接口的設(shè)計，但廣大設(shè)計人員現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是日益增長的高系統(tǒng)性能需求。這里所說的高性能不僅僅指高數(shù)據(jù)速率和/或低功耗，而且還指高可靠性。一方面，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中通過穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸來滿足這一需求。另一方面，特別是對隔離器而言，通過長使用壽命來解決這個問題。

　　最近在芯片設(shè)計和制造方面的技術(shù)進步已經(jīng)成就了第二代數(shù)字電容隔離器，其高性能給低功耗和高可靠性定義了新的標準。本文將介紹其功能原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并討論其電流消耗和預(yù)計壽命。

功能原理

　　圖1顯示了一款數(shù)字電容隔離器(DCI)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。該隔離器輸入分為兩個差分信號路徑：一條為高數(shù)據(jù)速率信道(稱作AC-信道)，另一條為低數(shù)據(jù)速率信道(稱作DC-信道)。AC-通道傳輸介于100kbps和100Mbps之間的信號，而DC-通道則涵蓋了從100kbps到DC的范圍。

圖1：數(shù)字電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

　　高速信號由AC通道來處理，信號在通道中首先從單端模式轉(zhuǎn)換為差分模式，然后被隔離層的電容-電阻網(wǎng)絡(luò)差分為許多瞬態(tài)。后面的比較器再將這些瞬態(tài)轉(zhuǎn)換為差分脈沖，從而設(shè)置和重置一個“或非”門觸發(fā)器。相當于原始輸入信號的觸發(fā)器輸出饋至判定邏輯(DCL)和輸出多路復(fù)用器。DCL包括一個看門狗定時器，該定時器用于測量信號轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時間。如果兩個連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時間超出定時窗口(如低頻信號的情況下)，則DCL則指示輸出多路復(fù)用器從AC-信道切換到DC-信道。

　　由于低頻信號要求大容量電容器，而這種電容器使片上集成變得很困難，因此DC-通道的輸入要有脈寬調(diào)制器(PWM)。該調(diào)制器利用一個內(nèi)部振蕩器(OSC)的高頻載波對低頻輸入信號進行調(diào)制。在AC-通道中對調(diào)制后信號的處理過程與高頻信號相同。然而，在向輸出多路復(fù)用器提交該信號以前，需通過一個最終低通濾波器(LPF)濾除高頻PWM載波，以恢復(fù)原始、低頻輸入信號。

　　相比其他隔離器技術(shù)，電容隔離器的一個主要優(yōu)點是其DC-通道在上電和信號丟失(LOS)事件期間隔離器輸出端擁有正確的輸入極性。缺少這些特性的其他隔離器技術(shù)通常會在上電期間出現(xiàn)輸出突波，或者在信號丟失以前一直保持在最后一個輸入極性。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　圖2顯示了一個單通道、電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)圖。從內(nèi)部來看，隔離器由兩顆芯片組成：一個發(fā)送器和一個接收機芯片。實際隔離層由接收機芯片上的高壓電容器來提供。

　　由于AC-信道和DC-信道均使用一種差分信號技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸期間提供高噪聲抗擾度，因此必需要有4個隔離電容器來形成一條單隔離數(shù)據(jù)通道。

圖2：單通道電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　圖2的右側(cè)顯示了一個高壓電容器的橫截面。從發(fā)送器芯片出來的接合線連接到接收機端電容器鋁頂板。底板(也為鋁質(zhì))連接到接收機邏輯。板之間是夾層電介質(zhì)，其為16-μm厚的二氧化硅(SiO2)層。

　　使用SiO2作為夾層電介質(zhì)有兩個好處：一、它是具有最小老化效應(yīng)且最穩(wěn)定的隔離材料之一，因此電容隔離器的預(yù)計壽命遠遠超過其他技術(shù)；二、使用標準半導(dǎo)體制造技術(shù)就可以處理SiO2，從而大大降低了生產(chǎn)成本。

　　電容隔離的另外一個優(yōu)點是每個電容123毫微微法拉(123x10-15F)的超低容量，從而允許極高的數(shù)據(jù)速率傳輸并實現(xiàn)多通道隔離器的微電容幾何尺寸。

電流消耗

　　隔離器電流消耗高度依賴于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相比雙通道隔離器，電感型隔離器似乎具有最低的DC電源電流(請參見圖3)。這是因為該器件只包含2條信號通道。但是，電容隔離器包含4條通道：2條AC信道和2條DC信道。因此，其DC的電流消耗更高，而且其可靠性也更高，因為在輸入信號丟失的情況下其可確保正確的輸出極性。

　　系統(tǒng)空閑時就會出現(xiàn)DC電流。幸運的是，工業(yè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、PLC和數(shù)字模擬I/O模塊并非針對系統(tǒng)空閑而設(shè)計，其目的是將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)娇刂茊卧?，并從控制單元傳輸?shù)絺鲃悠?。這些工作的完成必須是快速、可靠和持續(xù)的。

　　一般而言，雙通道隔離器用于隔離式CAN和RS-485總線節(jié)點，其中只有2條數(shù)據(jù)線路(發(fā)送和接收)要求隔離。例如，RS-485收發(fā)器必須能夠在一些極端共模狀態(tài)下提供高達±70mA的驅(qū)動力才能達到標準。這樣，即使在低數(shù)據(jù)速率條件下，DC電流之間的差異也可以忽略不計。

圖3：電容和電感隔離器的電流消耗(左圖為雙通道隔離器，右圖為四通道隔離器)。