數(shù)字隔離器剖析

想法簡(jiǎn)介

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)。

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，功耗高，數(shù)據(jù)速率限制在1 Mbps以下?？商峁└吖β?、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。它們由上述元素定義。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，如聚酰亞胺（PI）和二氧化硅（SiO2），它可以紡成薄膜。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 1 分鐘耐壓額定值（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?；?SiO2 的隔離器提供較弱的浪涌保護(hù)，妨礙了在醫(yī)療和其他應(yīng)用中的使用。

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。SiO2厚度和隔離能力受到限制;超過(guò) 15 μm 的應(yīng)力可能導(dǎo)致晶圓在加工過(guò)程中破裂或在隔離器的使用壽命內(nèi)分層?；诰埘啺返臄?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，為1 ns，因此平均電流很低。

圖1.具有厚聚酰亞胺絕緣的變壓器，其中電流脈沖產(chǎn)生磁場(chǎng)以在次級(jí)線圈上感應(yīng)電流（左）;薄碳化硅電容器2使用低電流電場(chǎng)耦合隔離柵的絕緣（右）

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)板間距離的依賴性相比，磁耦合對(duì)變壓器線圈之間距離的依賴性也較弱。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，使用聚酰亞胺的變壓器與使用SiO2的電容器可以實(shí)現(xiàn)高水平的隔離。

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。

電容器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們使用低電流來(lái)產(chǎn)生耦合電場(chǎng)。在高于 25 Mbps 的高數(shù)據(jù)速率下，這一點(diǎn)變得很明顯。

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?？梢园ㄋ⑿码娐芬远ㄆ诟轮绷麟娖?。

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。這比脈沖方法消耗更多的功率，因?yàn)檫壿嫺咝盘?hào)會(huì)持續(xù)消耗功率。

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，使某些產(chǎn)品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)最堅(jiān)固的隔離，聚酰亞胺厚度可能會(huì)增加到超過(guò)電容器的合理厚度;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)。

審核編輯：郭婷