正確選擇數(shù)字隔離器的三要素

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。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。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。

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。

傳統(tǒng)隔離器——光耦合器則會(huì)帶來非常大的不利影響。它們的功耗極高，而且數(shù)據(jù)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(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。

安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)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(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)50μs）作為增強(qiáng)絕緣認(rèn)證的一部分要求?；诰酆衔?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(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?；赟iO2的隔離器對浪涌的防護(hù)能力相對較弱，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15μm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?；诰埘啺返臄?shù)字隔離器可以使用厚達(dá)26μm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發(fā)出的光。

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，從而在另一個(gè)線圈生成感應(yīng)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(chǎn)生磁場，在另一個(gè)線圈中感生電流；（b）帶薄SiO2絕緣層的電容，利用低電流電場將數(shù)據(jù)耦合到隔離柵的另一端。

互感器采用差分連接，提供高達(dá)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(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來彌補(bǔ)，但這會(huì)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(shù)集成帶數(shù)據(jù)隔離功能的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，可創(chuàng)建完整的隔離解決方案。畢竟，變壓器是隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵元件。基于電容或基于LED的隔離器無法實(shí)現(xiàn)這類解決方案。