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

多年來，工業(yè)，醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員在實(shí)施安全隔離方面的選擇有限：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，功效和集成方面具有優(yōu)勢。了解數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵元件的性質(zhì)和相互依賴性對于選擇正確的數(shù)字隔離器非常重要。這些元素是絕緣材料，它們的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。

由于安全規(guī)定，設(shè)計(jì)人員采用隔離措施，或者減少接地環(huán)路等的噪聲。電隔離確保數(shù)據(jù)傳輸，而無需電氣連接或泄漏路徑，否則可能會(huì)造成安全隱患。然而，隔離帶來諸如延遲，功耗，成本和尺寸的限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在滿足安全要求的同時(shí)盡量減少招致的處罰。

光耦合器，傳統(tǒng)的隔離器，將受到最大的懲罰。它們消耗高水平的功率，并將數(shù)據(jù)速率限制在1 Mbps以下。更高的功率效率和更高速度的光電耦合器可用，但施加更高的成本損失。

數(shù)十年前引入了數(shù)字隔離器來減少光耦合器的處罰。他們使用基于CMOS的電路，并提供顯著的成本和功率節(jié)省，同時(shí)顯著提高數(shù)據(jù)速率。它們由前面提到的元素來定義。絕緣材料決定了固有的隔離能力，并被選擇來確保符合安全標(biāo)準(zhǔn)。選擇結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法來克服引用的處罰。所有這三個(gè)要素必須一起工作來平衡設(shè)計(jì)目標(biāo)，但是不能妥協(xié)和“平衡”的目標(biāo)之一是能夠滿足安全規(guī)定。

絕緣材料數(shù)字隔離器使用代工CMOS工藝，并且僅限于鑄造廠中常用的材料。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），可作為薄膜旋涂，以及二氧化硅（SiO 2）。兩者都具有眾所周知的絕緣性能，并且已經(jīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體處理多年。聚合物已經(jīng)成為許多光電耦合器的基礎(chǔ)，使其成為高壓絕緣體的歷史。

安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定一分鐘耐壓額定值（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)定了更短的持續(xù)時(shí)間，更高的電壓（例如，50μs的10kV峰值）作為增強(qiáng)絕緣的認(rèn)證的一部分。如表1所示，基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器具有最好的隔離性能。

表1.隔離屬性

基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器與光耦合器類似，在典型的工作電壓下壽命更長?；赟iO 2的隔離器對浪涌提供較弱的保護(hù)，防止在醫(yī)療和其他應(yīng)用中使用。

每個(gè)電影的內(nèi)在壓力也不同。聚酰亞胺比SiO 2具有更低的應(yīng)力，并且可以根據(jù)需要增加厚度。SiO 2厚度，因此隔離能力是有限的; 與厚的SiO 2層有關(guān)的應(yīng)力，例如15μm的量級，可能導(dǎo)致在隔離器的使用壽命期間的加工或分層過程中破裂的晶片。基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器使用厚度為26μm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來磁性或電容耦合隔離屏障上的數(shù)據(jù)。

如圖1所示，變壓器通過線圈產(chǎn)生脈沖電流，產(chǎn)生一個(gè)小的局部磁場，在另一個(gè)線圈中感應(yīng)出電流。電流脈沖短1ns，所以平均電流很低。

圖1.（a）具有較厚聚酰亞胺絕緣的變壓器，其中電流脈沖產(chǎn)生磁場以在次級線圈上感應(yīng)電流; （b）使用低電流電場耦合穿過隔離屏障的薄SiO 2絕緣的電容器。

變壓器也是不同的，并提供優(yōu)異的共模瞬態(tài)抗擾度，高達(dá)100 kV /μs（光耦合器通常約為15 kV /μs）。磁耦合對于變壓器線圈之間的距離的敏感度也比對板間距離的電容耦合的依賴性要小。這樣可以使變壓器線圈之間的絕緣層更厚，從而提高隔離能力。結(jié)合低應(yīng)力聚酰亞胺薄膜，使用聚酰亞胺與使用SiO 2的電容器的變壓器可以實(shí)現(xiàn)高水平的隔離。

電容器也是單端的，對共模瞬變的敏感性更高。差分對電容可以補(bǔ)償，但這會(huì)增加尺寸和成本。

除了整體性能之外，使用變壓器還有另一個(gè)好處：它們允許集成隔離電源。ADI公司的 ISO電源?技術(shù)，集成了一個(gè)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)隔離，以創(chuàng)建一個(gè)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。這種解決方案不適用于電容器或LED的隔離器。

數(shù)據(jù)傳輸方法

光電耦合器使用來自LED的光通過隔離屏障傳輸數(shù)據(jù)：LED打開時(shí)為邏輯高電平，而為邏輯低電平時(shí)關(guān)閉。當(dāng)LED亮起時(shí)，光耦合器會(huì)燒毀電源，使得光耦合器在功耗不受關(guān)注的情況下是一個(gè)糟糕的選擇。大多數(shù)光電耦合器將信號調(diào)理留在輸入和/或輸出到設(shè)計(jì)者，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)的電路來編碼和解碼數(shù)據(jù)，從而允許更快速的數(shù)據(jù)傳輸和處理復(fù)雜，雙向接口如USB和我的能力2 C.

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）。這些脈沖被解碼回到次級側(cè)的上升沿/下降沿。與光耦合器相比，這樣可以將功耗降低10倍至100倍，因?yàn)椴幌窆怦詈掀髂菢映掷m(xù)供電。可以包含刷新電路來定期更新直流電平。

圖2.一種傳輸數(shù)據(jù)的方法將邊緣編碼為單脈沖或雙脈沖。

另一種方法使用RF調(diào)制信號的方式與光耦合器使用光的方式大致相同。邏輯高信號導(dǎo)致連續(xù)的RF傳輸。這通常被稱為“開關(guān)”方案。這種方案的好處是可以使隔離屏障的數(shù)據(jù)傳輸速度更快; 但是，抖動(dòng)有時(shí)會(huì)成為問題。而且，開 - 關(guān)方法比基于脈沖的方法消耗更多的功率，因?yàn)檫壿嫺咝盘柍掷m(xù)地消耗功率。采用基于脈沖的方法，可以將功耗降至1μW，這是其他方法無法實(shí)現(xiàn)的。

差分技術(shù)也可以用于共模抑制。但是，這些最好用于差動(dòng)元件，如變壓器。

選擇合適的組合

數(shù)字隔離器提供了重要的，引人注目的 優(yōu)于光電耦合器在尺寸，速度，功耗，易用性和可靠性方面。在數(shù)字隔離器的類別中，絕緣材料，結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的不同組合區(qū)分不同的產(chǎn)品，使得一些或多或少適合特定的應(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，如保健和重工業(yè)設(shè)備，將獲得最大的優(yōu)勢。為了獲得最穩(wěn)固的隔離效果，聚酰亞胺的厚度可能會(huì)超過電容器的合理厚度。因此，基于電容器的隔離可能最適合于不需要安全隔離的功能隔離。在那些情況下，基于變壓器的隔離可能是最有意義的，

雖然每個(gè)設(shè)計(jì)人員都會(huì)選擇一個(gè)適合自己或他的應(yīng)用的適當(dāng)平衡性能的隔離器，但三個(gè)參數(shù)往往會(huì)突出：定時(shí)，功耗以及隔離。要評估不同的技術(shù)，請考慮下面的圖表，該圖表利用基于時(shí)間除以針對功耗繪制的隔離功能的品質(zhì)因數(shù)。在這種情況下，我們選擇使用浪涌耐受閾值（一種上升時(shí)間為2μs，下降時(shí)間為50μs的高壓脈沖來確定加強(qiáng)絕緣的適用性）來測量隔離能力。功耗是1 Mbps數(shù)據(jù)速率下每個(gè)通道的最大功率，單位為mW; 我們選擇1 Mbps作為代表率，因?yàn)榇蠖鄶?shù)對功耗敏感的應(yīng)用都以適中的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。為了計(jì)時(shí)，我們研究了一個(gè)信號通過隔離屏障的總時(shí)間延遲。因此，這不僅包括傳播延遲，還包括抖動(dòng)和輸出上升和下降時(shí)間。

圖3.不同隔離器特性的組合導(dǎo)致不同的品質(zhì)因數(shù)位置。一個(gè)方面仍然是明確的：光電耦合器滯后于數(shù)字隔離器。

當(dāng)以這種方式繪制時(shí)，可以看到數(shù)字隔離器占用的性能前沿。光電耦合器遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于邊界，而近來光耦合器的改進(jìn)使其更接近性能前沿，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于數(shù)字隔離器。人們也可以看到，不同的技術(shù)在邊界上也占據(jù)不同的位置，變壓器/聚酰亞胺數(shù)字隔離器采用脈沖編碼方法，功率效率低得多，開關(guān)鍵控方法顯示出更好的時(shí)序性能。

這個(gè)圖表隱藏著不同數(shù)字隔離器廠商如何在這個(gè)邊界上一代一代地移動(dòng)的微妙細(xì)節(jié)。ADI公司的第二代解決方案在一方面降低了功耗，另一方面降低了總時(shí)序延遲。這些改變是在沒有改變隔離能力的情況 Cap1供應(yīng)商只沿一個(gè)方向前進(jìn)，并通過增加隔離能力來實(shí)現(xiàn); 但是，這樣做增加了總時(shí)間延遲。這似乎是由于增加SiO 2厚度以實(shí)現(xiàn)更好的隔離減少了傳輸數(shù)據(jù)所需的耦合; 這又會(huì)降低性能。

概要

當(dāng)他們開發(fā)數(shù)字隔離技術(shù)時(shí)，ADI公司考慮了數(shù)字隔離的四個(gè)要素中的各種差異，重點(diǎn)放在隔離材料，隔離元件以及跨越隔離屏障傳輸數(shù)據(jù)的方法。他們確定了核心 我耦合器技術(shù)將基于聚酰亞胺絕緣和芯片尺寸變壓器，因?yàn)檫@種組合提供了最大的靈活性，不僅可以集成其他功能，如隔離電源，還可以使用不同的方法傳輸數(shù)據(jù)。我們已經(jīng)使用了近14年的基于脈沖的方法繼續(xù)提供優(yōu)異的功率效率和時(shí)序性能，但仍然有可能使用其他方法來獲得它們自己的好處。這一切都可以在不影響隔離能力的情況下完成，而隔離能力首先是設(shè)計(jì)師使用隔離器的主要原因。

David Krakauer是ADI公司的i Coupler產(chǎn)品線的市場經(jīng)理。