數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵要素的特點(diǎn)及相互關(guān)系

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(shì)。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(duì)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2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms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)50 ?s)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(zhǎng)。基于SiO2的隔離器對(duì)浪涌的防護(hù)能力相對(duì)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。例如，15 ?m厚SiO2層的應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致晶圓在加工過程中開裂，或者在隔離器使用期間分層?；诰埘啺返臄?shù)字隔離器可以使用厚達(dá)26 ?m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(chǎng)，從而在另一個(gè)線圈生成感應(yīng)電流。電流脈沖很短(1 ns)，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(chǎng)，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(chǎng)將數(shù)據(jù)耦合到隔離柵的另一端。

變壓采用差分連接，提供高達(dá)100 kV/?s的出色共模瞬變抗擾度(光耦合器通常約為15 kV/?s)。磁性耦合對(duì)變壓器線圈間距離的敏感性也弱于容性耦合對(duì)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(duì)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?；陔娙莼蚧贚ED的隔離器無法實(shí)現(xiàn)這類解決方案。

數(shù)據(jù)傳輸方法

光耦合器使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁綦x柵的另一端：LED點(diǎn)亮?xí)r表示邏輯高電平，熄滅時(shí)表示邏輯低電平。當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，光耦合器需要消耗電能；對(duì)于關(guān)注功耗的應(yīng)用，光耦合器不是一個(gè)好的選擇。多數(shù)光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號(hào)調(diào)理留給設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)，而這并不一定是非常簡(jiǎn)單的工作。數(shù)字隔離器使用更先進(jìn)的電路來編碼和解碼數(shù)據(jù)，支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復(fù)雜的雙向接口。

一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅(qū)動(dòng)變壓器(圖2)。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因?yàn)椴幌窆怦詈掀?，電源無需連續(xù)提供給器件。 器件中可以包括刷新電路，以便定期更新直流電平。

圖2. 一種數(shù)據(jù)傳輸方法是將邊沿編碼為單脈沖或雙脈沖

另一種方法是使用RF調(diào)制信號(hào)，其使用方式與光耦合器使用光的方式非常相似，邏輯高電平信號(hào)將引起連續(xù)RF傳輸。一般將其稱為“開-關(guān)”方案。此方案的優(yōu)勢(shì)是它可以更快地跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)；但抖動(dòng)有時(shí)會(huì)是個(gè)問題。此外，開-關(guān)方案的功耗高于脈沖方法，因?yàn)檫壿嫺唠娖叫盘?hào)需要持續(xù)消耗電能。 采用脈沖方法，則功耗可以降低至1 μW的最低水平，這是其他方法所不能比擬的。也可以采用差分技術(shù)來提供共模抑制，不過，這些技術(shù)最好配合互感器等差分元件使用。

選擇正確的組合

數(shù)字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。在數(shù)字隔離器領(lǐng)域，不同的絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法組合造就不同的產(chǎn)品，而不同的產(chǎn)品適合不同的具體應(yīng)用。如上所述，基于聚合物的材料提供最魯棒的隔離能力，這種材料幾乎適合所有應(yīng)用，但醫(yī)療保健和重工業(yè)設(shè)備等要求最嚴(yán)格的應(yīng)用受益最大。為了實(shí)現(xiàn)最魯棒的隔離，聚酰亞胺厚度可以超過對(duì)電容而言的合理厚度。因此，基于電容的隔離最適合不需要安全隔離的功能隔離應(yīng)用。在這種情況下，基于變壓器的隔離可能是最合理的，特別是結(jié)合差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。

雖然每一位設(shè)計(jì)人員都會(huì)選擇最適合其應(yīng)用、擁有適當(dāng)平衡特性的隔離器，但有三個(gè)參數(shù)是非常重要的：時(shí)序、功耗，當(dāng)然還有隔離。為了對(duì)不同的技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，考慮下圖中的情形。圖中采用的品質(zhì)因數(shù)基于時(shí)序/隔離能力，然后根據(jù)功耗繪出曲線。在這種情況下，我們選擇了浪涌耐受閾值(2 μs上升時(shí)間和50 μs下降時(shí)間的高壓脈沖，用來建立加強(qiáng)型隔離的適用性)來測(cè)量隔離能力。功耗表示1 Mbps數(shù)據(jù)速率下每通道的最大功耗，單位是mW；我們選用1 Mbps作為代表性的速率，因?yàn)榇蟛糠止拿舾行蛻?yīng)用工作在中等數(shù)據(jù)速率下。對(duì)于時(shí)序而言，我們關(guān)心信號(hào)跨越隔離柵傳輸?shù)目倳r(shí)序延遲。因此，它不僅包含傳播延遲，還包括抖動(dòng)和輸出上升與下降時(shí)間。

圖3. 不同的隔離器特性組合導(dǎo)致不同的品質(zhì)因數(shù)。有一點(diǎn)是毫無疑問的： 光耦合器遠(yuǎn)不如數(shù)字隔離器。

以這種方式呈現(xiàn)時(shí)，可以看到存在一個(gè)性能邊界，它由數(shù)字隔離器占據(jù)。光耦合器遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于該邊界，最近的改進(jìn)已使其向性能邊界靠近，但與數(shù)字隔離器仍有很大距離。從圖中還可以看到，不同的技術(shù)占據(jù)著邊界上的不同位置，基于變壓器/聚酰亞胺且采用脈沖編碼方法的數(shù)字隔離器的電源效率低很多，采用開關(guān)鍵控方法的數(shù)字隔離器則顯示出更好的時(shí)序性能。

圖中還隱藏了一些微妙的細(xì)節(jié)，這就是不同數(shù)字隔離器供應(yīng)商的各代產(chǎn)品在該邊界上的變動(dòng)趨勢(shì)。ADI公司的第二代產(chǎn)品向邊界的兩側(cè)移動(dòng)，一側(cè)是降低功耗，另一側(cè)是降低總時(shí)序延遲。雖然有這些變化，但隔離能力不變。電容1供應(yīng)商僅沿邊界的一個(gè)方向移動(dòng)，并通過提高隔離能力來實(shí)現(xiàn)，但這樣做會(huì)增加總時(shí)序延遲。原因似乎是，通過增加SiO2厚度來提高隔離能力會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸所需的耦合，進(jìn)而降低性能。

小結(jié)

ADI公司在開發(fā)其數(shù)字隔離技術(shù)時(shí)，考慮了數(shù)字隔離四要素的各不同之處，并重點(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。ADI公司的核心iCoupler技術(shù)基于聚酰亞胺絕緣和芯片級(jí)變壓器，因?yàn)檫@種組合可提供極佳的靈活性，不僅能集成其他功能(如隔離電源)，還允許使用不同的數(shù)據(jù)傳輸方法。ADI將近14年來始終采用的脈沖方法依然可提供出色的能效和時(shí)序性能，同時(shí)保留采用其他具備自身優(yōu)勢(shì)的方法的可能性。所有這一切均可在不犧牲隔離能力的前提下實(shí)現(xiàn)，這是設(shè)計(jì)人員使用隔離器的首要原因。