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(guò)電磁輻射值滿足FCC（美國(guó)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)。總的磁場(chǎng)改變GMR的電阻，通過(guò)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(guò)沖;無(wú)直流校正功能，無(wú)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(lái)通過(guò)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(wú)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。抗干擾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(wú)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(guò)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(guò)編碼，而是經(jīng)單端至差分轉(zhuǎn)換后直接通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(lái)確定輸入結(jié)構(gòu)的電源是否處于“開(kāi)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(lái)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(guò)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(kāi)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(yǔ)

　　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。