多年來(lái)，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員在實(shí)施安全隔離時(shí)選擇有限：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、能效和集成度方面具有優(yōu)勢(shì)。了解數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵元件的性質(zhì)和相互依賴性對(duì)于選擇合適的數(shù)字隔離器非常重要。這些元素是絕緣材料，其結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。

設(shè)計(jì)人員采用隔離是因?yàn)榘踩ㄒ?guī)或降低接地環(huán)路的噪聲等。電氣隔離可確保數(shù)據(jù)傳輸，而無(wú)需可能造成安全隱患的電氣連接或泄漏路徑。然而，隔離會(huì)帶來(lái)延遲、功耗、成本和尺寸等限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是滿足安全要求，同時(shí)最大限度地減少造成的處罰。

光耦合器是一種傳統(tǒng)的隔離器，其損失最大。它們消耗高功率，并將數(shù)據(jù)速率限制在 1 Mbps 以下。可提供更高功率、更高速的光耦合器，但成本損失更高。

數(shù)字隔離器于10多年前推出，旨在減少與光耦合器相關(guān)的損耗。它們使用基于CMOS的電路，在顯著提高數(shù)據(jù)速率的同時(shí)，可顯著節(jié)省成本和功耗。它們由前面提到的元素定義。絕緣材料決定了固有的隔離能力，選擇絕緣材料以確保符合安全標(biāo)準(zhǔn)。選擇結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法來(lái)克服上述處罰。所有這三個(gè)要素必須協(xié)同工作以平衡設(shè)計(jì)目標(biāo)，但一個(gè)不能妥協(xié)和“平衡”的目標(biāo)是滿足安全法規(guī)的能力。

絕緣材料

數(shù)字隔離器使用代工廠CMOS工藝，僅限于代工廠常用的材料。非標(biāo)準(zhǔn)材料使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)致可制造性差和成本增加。常見的絕緣材料包括聚合物，例如聚酰亞胺（PI）和二氧化硅（SiO），它可以作為薄膜紡絲。2).兩者都具有眾所周知的絕緣性能，并且已在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體加工中使用多年。聚合物一直是許多光耦合器的基礎(chǔ)，使它們作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定一分鐘的耐壓額定值（通常為 2.5 kV rms 至 5 kV rms）和工作電壓（通常為 125 V rms 至 400 V rms）。一些標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定持續(xù)時(shí)間更短，電壓更高（例如，10 kV峰值，持續(xù)50 μs），作為增強(qiáng)絕緣認(rèn)證的一部分。聚合物/聚酰亞胺基隔離器具有最佳的隔離性能，如表1所示。

基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器與光耦合器類似，在典型工作電壓下超過(guò)使用壽命。二氧化硅2基于隔離器的浪涌保護(hù)較弱，無(wú)法在醫(yī)療和其他應(yīng)用中使用。

每部薄膜的固有應(yīng)力也不同。聚酰亞胺的應(yīng)力低于SiO2并且可以根據(jù)需要增加厚度。二氧化硅2厚度，因此隔離能力有限;與厚SiO相關(guān)的應(yīng)力2例如，大約 15 μm 的層數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致晶圓在加工過(guò)程中破裂或在隔離器使用壽命期間分層。基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器使用厚達(dá)26 μm的隔離層。

隔離器結(jié)構(gòu)

與使用LED光的光耦合器相比，數(shù)字隔離器使用變壓器或電容器在隔離柵上以磁性或電容方式耦合數(shù)據(jù)。

如圖1所示，變壓器通過(guò)線圈脈沖電流，以產(chǎn)生一個(gè)小的局部磁場(chǎng)，在另一個(gè)線圈中感應(yīng)電流。電流脈沖很短（1 ns），因此平均電流很低。

圖1.（a） 具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器，其中電流脈沖產(chǎn)生磁場(chǎng)，在次級(jí)線圈上感應(yīng)電流;（b） 薄碳化硅電容器2絕緣使用低電流電場(chǎng)耦合跨越隔離柵。

變壓器還具有差分特性，具有出色的共模瞬態(tài)抗擾度，高達(dá)100 kV/μs（光耦合器通常約為15 kV/μs）。與電容耦合對(duì)板之間距離的依賴性相比，磁耦合對(duì)變壓器線圈之間的距離也不太敏感。這允許變壓器線圈之間的絕緣更厚，從而提高隔離能力。結(jié)合低應(yīng)力聚酰亞胺薄膜，與使用SiO的電容器相比，使用聚酰亞胺的變壓器可以實(shí)現(xiàn)高水平的隔離2.

電容也是單端的，對(duì)共模瞬變具有更高的敏感性。差分電容對(duì)可以補(bǔ)償，但這會(huì)增加尺寸和成本。

除了整體性能之外，使用變壓器還有另一個(gè)好處：它們?cè)试S集成隔離電源。ADI公司的isoPower技術(shù)將隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)隔離相結(jié)合，以創(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LED的隔離器無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種解決方案。?

數(shù)據(jù)傳輸方式

光耦合器利用來(lái)自LED的光跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)：LED在邏輯高電平時(shí)導(dǎo)通，在邏輯低電平時(shí)熄滅。當(dāng)LED亮起時(shí)，光耦合器會(huì)消耗功率，這使得光耦合器在功耗方面是一個(gè)糟糕的選擇。大多數(shù)光耦合器將輸入和/或輸出端的信號(hào)調(diào)理留給設(shè)計(jì)人員，這并不總是最容易實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字隔離器使用更先進(jìn)的電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，從而實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)傳輸，并能夠處理復(fù)雜的雙向接口，如USB和I。2C.

一種方法將上升沿和下降沿編碼為驅(qū)動(dòng)變壓器的雙脈沖或單脈沖（圖 2）。這些脈沖被解碼回次級(jí)側(cè)的上升沿/下降沿。與光耦合器相比，功耗降低了10×至100×因?yàn)椴幌窆怦詈掀髂菢舆B續(xù)供電。可以包括刷新電路以定期更新直流電平。

圖2.一種傳輸數(shù)據(jù)的方法將邊沿編碼為單脈沖或雙脈沖。

另一種方法使用RF調(diào)制信號(hào)的方式與光耦合器使用光的方式大致相同;邏輯高信號(hào)導(dǎo)致連續(xù)的射頻傳輸。這通常被稱為“開關(guān)”方案。該方案的好處是可以更快地跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù);但是，抖動(dòng)有時(shí)可能是一個(gè)問(wèn)題。此外，開關(guān)方法比基于脈沖的方法消耗更多的功率，因?yàn)檫壿嫺咝盘?hào)持續(xù)消耗功率。使用基于脈沖的方法，功率可以降低到低至1 μW的水平，這是其他方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

差分技術(shù)也可用于共模抑制。但是，這些最好與變壓器等差分元件一起使用。

選擇正確的組合

與光耦合器相比，數(shù)字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有顯著、引人注目的優(yōu)勢(shì)。在數(shù)字隔離器類別中，絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的不同組合區(qū)分了不同的產(chǎn)品，使一些或多或少適合特定應(yīng)用。如上所述，聚合物基材料提供最強(qiáng)大的隔離能力;這種材料幾乎可用于所有應(yīng)用，但最嚴(yán)格的應(yīng)用，如醫(yī)療保健和重工業(yè)設(shè)備，將獲得最大的優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)最可靠的隔離，聚酰亞胺厚度可能會(huì)增加到超出電容器的合理范圍。因此，基于電容的隔離可能最適合于不需要安全隔離的功能隔離。在這些情況下，基于變壓器的隔離可能最有意義，特別是當(dāng)與充分利用變壓器差分特性的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方法結(jié)合使用時(shí)。

雖然每個(gè)設(shè)計(jì)人員都會(huì)選擇具有最適合其應(yīng)用的適當(dāng)性能平衡的隔離器，但有三個(gè)參數(shù)往往很突出：時(shí)序、功耗，當(dāng)然還有隔離。要評(píng)估不同的技術(shù)，請(qǐng)考慮以下圖表，該圖表使用基于時(shí)序除以隔離能力的品質(zhì)因數(shù)，并繪制出與功耗的關(guān)系圖。在這種情況下，我們選擇使用浪涌耐受閾值（具有2 μs上升時(shí)間和50 μs下降時(shí)間的高壓脈沖，用于確定增強(qiáng)絕緣的適用性）來(lái)測(cè)量隔離能力。功耗是 1 Mbps 數(shù)據(jù)速率下每通道的最大功率（以 mW 為單位）;我們選擇1 Mbps作為代表速率，因?yàn)榇蠖鄶?shù)功耗敏感型應(yīng)用都以適中的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。對(duì)于時(shí)序，我們研究了信號(hào)穿過(guò)隔離柵的總時(shí)序延遲。因此，這不僅包括傳播延遲，還包括抖動(dòng)和輸出上升和下降時(shí)間。

圖3.不同隔離器特性的組合導(dǎo)致不同的品質(zhì)因數(shù)位置。有一個(gè)方面仍然很清楚：光耦合器落后于數(shù)字隔離器。

以這種方式繪制時(shí)，可以看到數(shù)字隔離器占據(jù)的性能邊界的存在。光耦合器的位置遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于前沿，雖然最近對(duì)光耦合器的改進(jìn)使它們更接近性能前沿，但它們?nèi)匀贿h(yuǎn)遠(yuǎn)落后于數(shù)字隔離器。人們還可以看到，不同的技術(shù)在前沿也占據(jù)了不同的位置，基于變壓器/聚酰亞胺的數(shù)字隔離器采用脈沖編碼方法，顯示出低得多的功率效率，而開關(guān)鍵控方法顯示出更好的時(shí)序性能。

隱藏在這張圖表中的是不同數(shù)字隔離器供應(yīng)商如何沿著這一前沿從一代到下一代的微妙細(xì)節(jié)。ADI的第二代方法在一種情況下降低了功耗，在另一種情況下，降低了總時(shí)序延遲。這些更改是在不更改隔離功能的情況下進(jìn)行的。Cap1 供應(yīng)商僅沿邊界向一個(gè)方向移動(dòng)，并通過(guò)提高隔離能力來(lái)實(shí)現(xiàn);但是，這樣做會(huì)增加總時(shí)序延遲。這似乎是由于SiO的增加2厚度以實(shí)現(xiàn)更好的隔離，減少了傳輸數(shù)據(jù)所需的耦合;這反過(guò)來(lái)又會(huì)降低性能。

總結(jié)

ADI公司在開發(fā)數(shù)字隔離技術(shù)時(shí)，考慮了數(shù)字隔離四個(gè)要素的各種差異，重點(diǎn)關(guān)注絕緣材料、隔離元件以及跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)的方法。他們確定，Core iCoupler技術(shù)將基于聚酰亞胺絕緣和芯片級(jí)變壓器，因?yàn)檫@種組合不僅提供了最大的靈活性，不僅可以集成其他功能，例如隔離電源，還可以允許使用不同的方法來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。我們采用近14年的基于脈沖的方法繼續(xù)提供出色的功率效率和定時(shí)性能，但仍有可能采用其他方法，并具有自己的優(yōu)勢(shì)。這一切都可以在不影響隔離能力的情況下完成，隔離能力是設(shè)計(jì)人員使用隔離器的主要原因。

審核編輯：郭婷