電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）不管是工業(yè)場(chǎng)景里應(yīng)對(duì)高壓浪涌、大接地電位差、高側(cè)組件通信以及共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)，還是汽車應(yīng)用里需要通過(guò)隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全問(wèn)題，或者再將范圍擴(kuò)大到樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品等相對(duì)低壓場(chǎng)景，這些場(chǎng)景里，設(shè)備想要安全可靠的運(yùn)行，都需要使用隔離技術(shù)。

隔離耦合技術(shù)保護(hù)了低電壓電路免受高電壓故障影響，又能中斷接地回路來(lái)保持信號(hào)完整性，從而實(shí)現(xiàn)不同電壓域之間的通信，是電子電路的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

引入隔離耦合，提高電路可靠性

隔離耦合技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)不同的耦合技術(shù)分隔不同的電氣系統(tǒng)，從而防止這些部分產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流的同時(shí)仍允許信號(hào)和電源傳輸，保障整個(gè)電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定傳輸，并提高整個(gè)電氣系統(tǒng)的可靠性。具體的技術(shù)路線可能不盡相同，光耦路線、容耦路線、磁耦路線都能實(shí)現(xiàn)隔離，但目的都是一致的、

具體來(lái)說(shuō)，隔離耦合技術(shù)需要應(yīng)對(duì)的電路難題有三類，其一自然是安全問(wèn)題，尤其是在高壓系統(tǒng)中。其二是為了解決接地回路可能導(dǎo)致的通信子系統(tǒng)之間連接的中斷，接地回路的高電壓差會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)通信系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)錯(cuò)誤。其三則是為了降低接地環(huán)路的噪聲，提高電路抗噪性，接地環(huán)路中的噪聲既來(lái)自外部環(huán)境，也來(lái)自內(nèi)部瞬態(tài)行為，抑制這些干擾能有效提高電路可靠性。

兩個(gè)非常典型的隔離耦合應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)是汽車電子，一個(gè)是工業(yè)自動(dòng)化。工業(yè)場(chǎng)景中的高壓電源是必須隔離起來(lái)的，否則這些高壓浪涌帶來(lái)的破壞風(fēng)險(xiǎn)太大，輕則損壞現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，重則造成人員安全問(wèn)題。而大量工業(yè)設(shè)備之間互相關(guān)聯(lián)，涉及很多通信和控制信息的交換，為了確保各系統(tǒng)之間不受干擾穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，隔離耦合技術(shù)在其中應(yīng)用得非常廣泛。

汽車電子系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)類似，尤其是現(xiàn)在汽車電氣平臺(tái)正在向更高的電壓等級(jí)發(fā)展趨勢(shì)下，隔離的應(yīng)用變得更加重要。汽車電子系統(tǒng)中有很多敏感電子元器件和快速瞬變高壓組件，這些組件需要在隔離的環(huán)境中才能保證整車EV系統(tǒng)的可靠性和安全性，對(duì)于電機(jī)效率、電源效率的提升也能作出貢獻(xiàn)。

光耦合隔離技術(shù)路線

光耦合隔離技術(shù)路線，一度是隔離技術(shù)路線上的主導(dǎo)技術(shù)，它以光為媒介傳輸電信號(hào)，有著體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，具備抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。光耦合隔離可以將輸入端隔離，使得輸出端與輸入端完全沒有電氣聯(lián)系，避免了信號(hào)間的干擾和相互干擾的問(wèn)題，保護(hù)輸入端和輸出端的安全性。

但隨著隔離技術(shù)的不斷發(fā)展，由于光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強(qiáng)度都偏低，高級(jí)別的隔離需求下只能通過(guò)在器件內(nèi)做更多的物理分割來(lái)增強(qiáng)其隔離等級(jí)，即便如此在絕大部分情況下它能達(dá)到的CMTI也小于容耦和磁耦，所以很多需要增強(qiáng)型隔離的場(chǎng)景不再考慮光耦。

但這也絕不是說(shuō)光耦逐漸在失去隔離市場(chǎng)，作為技術(shù)成熟度很高的隔離手段，光耦有著目前還無(wú)法取代的兩大優(yōu)勢(shì)。其一是厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢(shì)，雖然CMTI無(wú)法做到很高，但是耐壓優(yōu)勢(shì)明顯，在需要高耐壓的隔離應(yīng)用里光耦的地位很穩(wěn)定。另一個(gè)則是高數(shù)據(jù)速率，因?yàn)橐怨鉃槊浇閭鬏旊娦盘?hào)。所以在這一點(diǎn)上光耦的優(yōu)勢(shì)也一直保持得很好，如果設(shè)計(jì)中可以再犧牲一部分CMTI和功耗，光耦還能將數(shù)據(jù)速率做得更高，這就看應(yīng)用場(chǎng)景的取舍了。

電容耦合隔離技術(shù)路線

另一條技術(shù)路線，是電容耦合隔離技術(shù)。電容這類元器件，大家都非常熟悉，在任何電路中都有著不少應(yīng)用。電容天生就能阻斷直流信號(hào)，因此電容隔離技術(shù)基于穿過(guò)電介質(zhì)的交流信號(hào)傳輸可以使用更高階調(diào)制等方案。因此在數(shù)字隔離器興起后，很多廠商都通過(guò)該技術(shù)路線開辟出了一條隔離路線，如TI、Silicon Labs和納芯微等，這些廠商都在容耦路線上開發(fā)出了獨(dú)特的隔離方案。

電容耦合隔離技術(shù)能實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制，有著壽命長(zhǎng)、功耗低優(yōu)點(diǎn)。而且由于容耦采用片上電容原理進(jìn)行信號(hào)的隔離傳輸，所以其傳輸速率也是很高的，延遲也能做到很低。而且利用電容的頻信號(hào)調(diào)制解調(diào)其抗EMI性能也很不錯(cuò)。

除此之外，作為幾種技術(shù)路線中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術(shù)，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亞胺的磁耦厚度小了接近10μm，這既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。缺點(diǎn)就在于，絕緣厚度的限制，可能給容耦帶來(lái)浪涌保護(hù)能力會(huì)比較有限的問(wèn)題，在高壓系統(tǒng)里這一點(diǎn)會(huì)更明顯。當(dāng)然，目前也有很多對(duì)策來(lái)盡可能降低容耦隔離的缺陷，比如通過(guò)多層電容和多層鈍化方法來(lái)提高容耦在高壓浪涌上的可靠性。

這條技術(shù)路線上國(guó)內(nèi)廠商納芯微非常具有代表性，其Adaptive OOK的信號(hào)調(diào)制技術(shù)，在EMI輻射，誤碼率上性能很突出，同時(shí)還能有效提高隔離器件抗共模噪聲（CMTI）的能力，在全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中非常有競(jìng)爭(zhēng)力。

磁耦合隔離技術(shù)路線

數(shù)字隔離技術(shù)另一大方向，磁耦合隔離，也是數(shù)字隔離經(jīng)常采用的一個(gè)方案。磁耦通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行能量傳遞將信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸，利用變壓器原理，在另一個(gè)線圈生成感應(yīng)電流，形成隔離前端的電流變化通過(guò)線圈引起隔離另一側(cè)的電流變化。

磁耦合隔離技術(shù)最明顯的優(yōu)勢(shì)是能夠改善傳輸延遲和延遲偏差，這是其他隔離技術(shù)沒辦法實(shí)現(xiàn)的。在高頻DC/DC電源轉(zhuǎn)換中，幾乎都會(huì)使用這種方案來(lái)發(fā)送高頻信號(hào)并實(shí)現(xiàn)隔離，既能傳輸數(shù)百毫瓦的功率，還無(wú)需次級(jí)側(cè)偏置電源。

但其缺點(diǎn)在于，磁耦中的變壓器本身就是輻射源，在EMI干擾上不可避免地會(huì)更嚴(yán)重一些。而且由于其能實(shí)現(xiàn)的功能，成本也相對(duì)較高。

這條路線上最著名的莫過(guò)于ADI的 iCoupler技術(shù)，ADI利用iCoupler技術(shù)實(shí)現(xiàn)了很多難以實(shí)行隔離的設(shè)計(jì)。

小結(jié)

隨著工業(yè)和汽車應(yīng)用的興起以及寬帶隙半導(dǎo)體的普及，數(shù)字隔離技術(shù)可以發(fā)揮的空間越來(lái)越大。以容耦和磁耦為代表的隔離技術(shù)，也在隔離技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)更多席位。當(dāng)然，在低成本的應(yīng)用中，光耦仍舊是性價(jià)比很高的選擇。