數(shù)字隔離器：這些無處不在的安全守護者，你該認識一下！

在一個電子系統(tǒng)中，與計算處理、信號鏈、電源等核心元器件相比，隔離器的位置似乎并不顯眼，但是其“存在感”一點也不弱，因為訓練有素的工程師都知道，在確保電子系統(tǒng)安全性和可靠性方面，這些“小器件”的作用無可替代。

電子電路的設計中之所以要用到隔離器，是因為在很多系統(tǒng)中同時存在高壓和低壓域，而高壓系統(tǒng)中往往更容易出現(xiàn)靜電放電、射頻、開關(guān)脈沖和電源擾動，引起電壓浪涌，對低壓域的敏感電路和元器件造成影響或損壞，而且高電壓也會對人體造成危害。因此就需要通過隔離技術(shù)在高、低壓域之間構(gòu)建可靠隔離柵，隔絕安全、噪聲等風險，同時又要讓需要在高、低壓域之間傳遞的電信號能夠穿越隔離柵，進行可靠地傳輸，實現(xiàn)完整的系統(tǒng)功能。

總結(jié)起來，在電子系統(tǒng)中，小小的隔離器所起到的關(guān)鍵作用就是：

① 防止外部噪聲和干擾對系統(tǒng)的影響，從而保證系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定地運行。

② 保護設備和人員免受高電壓、高電流等危險因素的傷害，確保安全。

③ 減少信號傳輸過程中可能出現(xiàn)的干擾和失真，從而提高信號傳輸質(zhì)量和準確性。

數(shù)字隔離器的興起

提到隔離器，人們首先會想到光耦合器（簡稱“光耦”），這是一種基于光電技術(shù)的混合器件：其通過透明介質(zhì)進行物理隔離（電流隔離），同時在輸入側(cè)由一個發(fā)光LED將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并由輸出側(cè)的光電探測器感應光信號并生成相應的電信號，由此實現(xiàn)可靠隔離的信號傳輸。

與電磁繼電器等上一代解決方案相比，光耦的外形大大縮小，且能夠提供可靠的高壓隔離，同時具有出色的抗干擾性、很寬的工作溫度范圍，以及與多種數(shù)字和模擬電路兼容的特性，因此在相當長的時間內(nèi)，是眾多隔離應用的不二之選。

不過，光耦并非是一種完美無缺的技術(shù)，其存在功耗大、速率低的弱點，而且由于光電組件的性能會隨時間發(fā)生衰減，因此光耦的使用壽命也較短，這就限制了其在低功耗、高速率、高可靠性等更多場合的應用。

為了彌補光耦產(chǎn)品在性能上的這些“缺憾”，2000年之后數(shù)字隔離器應運而生了。數(shù)字隔離器工作原理和光耦類似，但是采用與光耦“電—光—電”轉(zhuǎn)換調(diào)制方式不同的硅基技術(shù)，這樣就避免了光電元件易衰減的短板，還可實現(xiàn)更好的開關(guān)特性、更快的傳輸速率、更低的功耗、更緊湊的外形等優(yōu)勢。值得一提的是，數(shù)字隔離器大都采用的是CMOS工藝，因此在提高集成度、優(yōu)化成本等方面潛力更大，因此一經(jīng)出現(xiàn)，就受到了廣泛關(guān)注。

根據(jù)工作原理，常見的數(shù)字隔離器可分為電磁耦合隔離器（磁耦）和電容耦合隔離器（容耦）兩類。

其中，磁耦隔離器是一種利用磁學原理進行電氣隔離的器件，利用“電-磁-電”轉(zhuǎn)換原理，通過線圈中的磁場來傳遞信號，具有電隔離強、反向電壓耐受能力高、串擾小、操作溫度范圍廣等優(yōu)點，常用于高精度模擬信號隔離、電源隔離、MOS隔離等應用。

容耦隔離器則是在器件中基于高電介質(zhì)材料構(gòu)建一個“微型電容”，利用電容“通交流、阻直流”的特性實現(xiàn)信號的隔離傳遞。與磁耦隔離技術(shù)相比，容耦隔離器的制造工藝相對簡單，與標準的CMOS晶圓工藝兼容性好，具有明顯的成本優(yōu)勢，而且產(chǎn)品迭代的速度快，目前在耐壓、抗浪涌能力等方面都有長足的進步，應用的場景也更為豐富，因此也是很多半導體廠商淘金數(shù)字隔離領(lǐng)域的主賽道。

	光電耦合	電容耦合	電磁耦合
溫度特性	溫漂大	溫漂小	溫漂小
功耗	高	低	低
速率	25Mbps	150Mbps	150Mbps
壽命	低	高	高
傳遞能量	弱	弱	強

表1：不同隔離器的性能比較

數(shù)字隔離器發(fā)展趨勢

正是由于數(shù)字隔離器具有上述的優(yōu)勢特性，市場版圖一直在不斷擴張。一方面，數(shù)字隔離器一直未改“替代光耦”的初心，從各方面對標這個隔離市場原有的霸主，向傳統(tǒng)的應用領(lǐng)域滲透；另一方面，數(shù)字隔離器也利用自身的優(yōu)勢，不斷拓展新的應用場景。如果仔細觀察，我們能夠看出數(shù)字隔離器的發(fā)展有幾條主要脈絡。

首先，通過在設計和工藝方面的提升，數(shù)字隔離器在不斷強化自身的優(yōu)勢，同時也在補齊性能上的短板，比如提升耐壓能力、改善抗噪聲表現(xiàn)、降低功耗、簡化系統(tǒng)架構(gòu)、減小外形等等，這使得其在與光耦PK時能夠有更足的底氣。

其次，提升產(chǎn)品的可靠性和耐用性，也是數(shù)字隔離器一個重要的進化方向。這是因為隔離產(chǎn)品屬于安規(guī)產(chǎn)品，在工業(yè)、新能源、汽車等這些典型的高壓應用場景中，都有相當高的標準或規(guī)范要求，因此數(shù)字隔離器想要在這些市場中立足，也必須經(jīng)過相關(guān)的安規(guī)認證。

此外，利用與CMOS工藝兼容、易于集成功能的特點，數(shù)字隔離器也在超越“純”數(shù)字隔離器單一的產(chǎn)品形態(tài)，圍繞著各種目標應用不斷演化出復合功能的隔離產(chǎn)品，如隔離I/O、隔離收發(fā)器、隔離驅(qū)動器、隔離電源等等，為更多的產(chǎn)品和應用添加隔離功能，讓基于隔離技術(shù)的安全守護無處不在。

當然，上述這種數(shù)字隔離產(chǎn)品形態(tài)的擴展，要求技術(shù)供應商具備更全面的技術(shù)實力和更深厚的專業(yè)積淀。比如隔離驅(qū)動產(chǎn)品的設計，就需要開發(fā)者具備與驅(qū)動相關(guān)的功率電子知識并熟悉主流功率開關(guān)管（包括SiC等寬禁帶半導體器件）的特性，以便其產(chǎn)品能夠與之相適配；而在隔離I/O接口產(chǎn)品的設計中，則需要開發(fā)者有出色的ESD、抗干擾設計等方面的技能。

因此，如果你熟悉數(shù)字隔離器的市場格局，就會發(fā)現(xiàn)很多有實力的數(shù)字隔離器供應商，都是產(chǎn)品線非常廣泛的模擬或混合信號大廠，這也是其能夠提供品類豐富、性能出眾的數(shù)字隔離產(chǎn)品的保證。

Skyworks Solutions, Inc.（以下簡稱Skyworks）就是這樣一家數(shù)字隔離產(chǎn)品領(lǐng)域的實力制造商，基于在隔離和高壓領(lǐng)域深厚的專業(yè)知識和經(jīng)驗積累，Skyworks能夠為廣泛的應用提供數(shù)字隔離器、隔離柵驅(qū)動器、隔離模擬放大器、隔離工業(yè)I/O等豐富的產(chǎn)品組合，在實現(xiàn)高性能、高可靠性的同時，幫助用戶實現(xiàn)更大的設計靈活性和更優(yōu)的成本。

圖1：Skyworks提供的數(shù)字隔離產(chǎn)品

（圖源：Skyworks）

Skyworks的數(shù)字隔離精品

Si86Sx數(shù)字隔離器

Si86Sx數(shù)字隔離器是Skyworks標準數(shù)字隔離器產(chǎn)品中的代表作，與傳統(tǒng)的隔離解決方案相比，Si86Sx數(shù)字隔離器在數(shù)據(jù)速率、傳輸延遲、功耗、尺寸、可靠性和外部BOM等方面優(yōu)勢明顯。

具體來講，Si86Sx數(shù)字隔離器具有高達6.0kV_RMS的隔離額定值，支持高達150Mbps的數(shù)據(jù)速率，可實現(xiàn)10ns的典型傳播延遲。該器件提供睡眠模式，可在啟用時關(guān)閉有源電路，從而節(jié)省功耗；同時Si86Sx還包含經(jīng)過優(yōu)化的低功耗模式操作選項，可進一步節(jié)省功耗。

Si86Sx數(shù)字隔離器產(chǎn)品組合齊全，包括支持SPI的產(chǎn)品以及通過方向控制引腳支持QSPI的選項；提供緊湊型的NB SOIC-8、NB SOIC-16、QSOP-16、SSO-8和WB SOIC-16封裝。Si86Sx系列中的所有產(chǎn)品均通過UL、CSA、VDE和CQC安全認證，還可提供汽車級的解決方案。

圖2：Si86Sx數(shù)字隔離器

（圖源：Skyworks）

Si858x集成隔離式RS-485收發(fā)器

隔離式收發(fā)器，顧名思義就是將數(shù)字隔離器和收發(fā)器的功能集成到單個緊湊型器件中，這也是數(shù)字隔離產(chǎn)品中一個重要的類別。

Skyworks的Si858x集成隔離式RS-485收發(fā)器，將堅固耐用、完全兼容的RS-485收發(fā)器與Skyworks專有的CMOS隔離技術(shù)相結(jié)合，非常適合于復雜工業(yè)環(huán)境中基于RS-485的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（如ProfiBus或ModBus）隔離接口應用。要知道，這類總線系統(tǒng)很容易受到外部環(huán)境電氣噪聲瞬變的影響，引入數(shù)字隔離技術(shù)，可以有效防止此類瞬變和噪聲，實現(xiàn)更佳的信號完整性。

Si858x隔離式收發(fā)器采用專有的硅隔離技術(shù)，支持高達5kV_RMS（1分鐘）的隔離電壓，符合UL 1577標準，可實現(xiàn)高CMTI（>60kV/μs）、低傳播延遲和偏移、更優(yōu)的溫度老化等特性，以及更緊湊的設計。

Si858x可在3.3V或5.0V額定電源下工作，并具有高達±30V的強大總線容錯能力，這是其能夠在嘈雜環(huán)境中防止有害瞬變的關(guān)鍵特性。其總線引腳還具有高達15kV HBM ESD的保護。這些器件集成了具有1Mbps數(shù)據(jù)速率能力的壓擺率控制驅(qū)動器，用于降低EMI，或在不實施壓擺率控制的情況下提供高達10Mbps的高數(shù)據(jù)速率。

該系列隔離式RS-485收發(fā)器還提供安全和保護功能（例如接收器故障安全和熱保護），-40℃至+125℃的寬工作溫度范圍，是工廠車間、過程控制等環(huán)境敏感型應用的理想選擇。

圖3：Si858x集成隔離式RS-485收發(fā)器

（圖源：Skyworks）

Si834x隔離智能開關(guān)

Si834x隔離智能開關(guān)是Skyworks隔離式工業(yè)I/O產(chǎn)品組合中的一款經(jīng)典產(chǎn)品，非常適合用于驅(qū)動電阻和電感負載，例如工業(yè)控制系統(tǒng)中（包括PLC、I/O模塊、繼電器驅(qū)動器和伺服電機控制器等）的電磁閥、繼電器和燈等。

Si834x基于CMOS隔離技術(shù)進行安全的電隔離，從而實現(xiàn)更高的可靠性和性能，并可以達到超過150kV/μs的高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。

Si834x隔離開關(guān)支持高側(cè)和低側(cè)開關(guān)選項，導通電阻僅145mΩ，可提供符合IEC 61131-2標準的高達700mA的連續(xù)電流，具有全面的保護和診斷報告功能，以及用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的先進配置、監(jiān)控和控制。其開關(guān)邏輯接口可以像四個低功耗CMOS數(shù)字輸入一樣簡單，也可以像全串行外設接口（SPI）一樣豐富和靈活，可通過4個MCU引腳控制多達128個通道。

與其他的競品相比，Si834x隔離開關(guān)具有更好的電感負載驅(qū)動性能和更安全的過載保護。憑借創(chuàng)新的快速開關(guān)阻抗和鉗位電壓控制，Si834x可以實現(xiàn)更高的效率、更佳的可靠性，且無需復雜的散熱系統(tǒng)。在進入故障狀態(tài)時，Si834x隔離開關(guān)還可以在減少通道性能條件下繼續(xù)維持運行，而無需停工，這也是其一個差異化的優(yōu)勢所在。

圖4：Si834x隔離智能開關(guān)

（圖源：Skyworks）

值得一提的是，除了Si834x這種集成式的隔離智能開關(guān)，Skyworks還提供單一功能的智能開關(guān)產(chǎn)品，如Si83004和Si83014，它們包含4個具有低導通電阻的高側(cè)或低側(cè)開關(guān)，以驅(qū)動PLC等工業(yè)控制系統(tǒng)中常見的電磁閥、繼電器和燈等電阻及電感負載。

這些智能開關(guān)的單通道類似于繼電器驅(qū)動器，具有針對常見故障的保護機制，同時可以與多通道數(shù)字隔離器或光耦合器陣列配對使用，形成一個完整的電氣隔離I/O解決方案。與完全集成的Si834x隔離式智能開關(guān)相比，Si83004和Si83014等智能開關(guān)可以為開發(fā)者提供更多的技術(shù)選項，實現(xiàn)更大的設計靈活性。

圖5：Si83004和Si83014智能開關(guān)

（圖源：Skyworks）

本文小結(jié)

在隔離技術(shù)領(lǐng)域，雖然光耦還在扮演著重要的角色，但是快速興起的數(shù)字隔離器正在對傳統(tǒng)的解決方案發(fā)起有力的沖擊。在這個競爭過程中，性能上的不斷精進，以及針對目標應用的產(chǎn)品線擴展，都是致勝的關(guān)鍵。而所有努力最終的目的，都是要讓基于隔離技術(shù)的安全防護無處不在，為電子系統(tǒng)的可靠工作和用戶的安全保駕護航。

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