做系統(tǒng)設(shè)計時，需要知道的3個隔離器知識

1、為什么需要隔離？

答案是隔離與可靠保護有關(guān)。電隔離是一種電路設(shè)計技術(shù)，允許兩個電路進行通信，可消除在它們之間流動的任何不需要的直流電。

隔離常用于：

保護操作人員和低壓電路免受高電壓影響。

防止通信子系統(tǒng)之間的地電位差。

改善抗噪性能。

圖1 隔離跨電介質(zhì)隔離層阻止不需要的直流電和交流電

2、不同的隔離技術(shù)有什么不同？

絕緣技術(shù)三個要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。設(shè)計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，從而避免安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。

我們先看看絕緣材料的影響：

表1 常見絕緣材料

此表列舉了常見的絕緣材料和對應的隔離能力（Vrms/um）。光耦器件對材料透光性的要求，使得多選用空氣（Air）和環(huán)氧樹脂（epoxies）作為隔離材料。聚酰亞胺（polymide）多為磁隔產(chǎn)品選用。而容隔器件則選用絕緣強度最優(yōu)的二氧化硅（SiO2）材料。

隔離材料的選用會影響到器件的體積，如下是實拍對比圖，對比了TI的容隔產(chǎn)品ISO系列和市面上常見的光耦隔離器件，可以看到容隔器件有明顯的體積優(yōu)勢。

圖2 光耦隔離器件

同時，相較于聚酰亞胺（polymide）,二氧化硅（ SiO2）的可靠性不會因為在潮濕環(huán)境工作而受到影響。

我們再從電路結(jié)構(gòu)來看，三種隔離方式的電路結(jié)構(gòu)如下圖：

圖3.1 光耦器件電路

圖3.2 磁隔器件電路

圖3.3 容隔器件電路

我們可以看到，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。這使得光耦方案的靜態(tài)電流，數(shù)據(jù)傳輸延遲，CMTI等性能都會較差。磁隔是通過變壓器電流脈沖通過一個線圈，形成一個很小的局部磁場，從而在另一個線圈生成感應電流。電磁感應的原理使得磁隔產(chǎn)品在不佳的電磁工作環(huán)境中出現(xiàn)噪聲干擾的可能性更大。而容隔產(chǎn)品是利用低電流電場將數(shù)據(jù)耦合到隔離柵的另一端，抗干擾性更強。

最后我們看看數(shù)據(jù)傳輸方式帶來的影響。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點亮時表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當LED點亮時，光耦合器需要消耗電能；對于關(guān)注功耗的應用，光耦合器不是一個好的選擇。

磁隔產(chǎn)品常用的數(shù)據(jù)傳輸方式，是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅(qū)動變壓器。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，因為不像光耦合器，無需連續(xù)提供電源給器件。這也解釋了為什么磁隔產(chǎn)品的功耗和數(shù)據(jù)速率成線性關(guān)系。

TI的容隔產(chǎn)品多采用on-off keying(OOK)調(diào)制方式，發(fā)送器發(fā)送一個高頻信號代表一種數(shù)字狀態(tài)，不發(fā)送信號代表另一種數(shù)字狀態(tài)。經(jīng)過信號調(diào)理后通過緩沖器發(fā)出。容隔器件的功耗基本不隨傳輸數(shù)據(jù)速率的變化而改變。

圖4 容隔器件的概念框圖

圖5 ON-OFF keying(OOK)調(diào)制

有哪些隔離選型參數(shù)？

這里列舉了大家常在數(shù)據(jù)手冊中看到的參數(shù)，做了解釋。更詳細的參數(shù)含義可以參考這個鏈接：http://www.ti.com/lit/pdf/slyy063

表2 隔離器件選型常見參數(shù)

這里不一一展開，我們來重點看一下creepage，clearance和DIT(Distance Through Insulation）這三個容易混淆的距離參數(shù)的含義。如下圖所示，clearance是兩側(cè)引腳通過空氣的最短距離，creepage是兩側(cè)引腳通過隔離材料表面的最短距離，DTI是通過導電體之間的隔離填充材料的最短距離?？梢哉f，DIT指的是內(nèi)部距離，creepage和clearance指的是外部距離。

圖6 clearance, creepage, DTI示意圖（依次）

需要提醒的是，數(shù)據(jù)手冊的爬電距離參數(shù)的對象芯片，如果系統(tǒng)中有更短通路，那么這個更短距離才是這個電路的隔離爬電距離。這里舉個例子，下圖將兩顆超寬封裝ISO7841DWW（creepage是14mm）串聯(lián)工作，是否可以理解成該電路的爬電距離是28mm呢？答案是不可以。這是因為電路中除了數(shù)據(jù)傳輸通路還存在一個通路，即隔離電源電路。VCC1 和Viso2之間的爬電距離可能比D1和Diso2之間的爬電距離更短，而更短的距離值決定了電路的爬電距離值。

圖7 爬電距離電路示例

審核編輯：湯梓紅