數(shù)字電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理解析

工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中機(jī)器和設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)定的愈加嚴(yán)格迫使我們必須要在幾乎所有類(lèi)型的電子系統(tǒng)或電路中實(shí)施電隔離。

盡管數(shù)字隔離器已經(jīng)代替了模擬隔離器，從而簡(jiǎn)化了隔離接口的設(shè)計(jì)，但廣大設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是日益增長(zhǎng)的高系統(tǒng)性能需求。這里所說(shuō)的高性能不僅僅指高數(shù)據(jù)速率和/或低功耗，而且還指高可靠性。一方面，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中通過(guò)穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)滿足這一需求。另一方面，特別是對(duì)隔離器而言，通過(guò)長(zhǎng)使用壽命來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

最近在芯片設(shè)計(jì)和制造方面的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)成就了第二代數(shù)字電容隔離器，其高性能給低功耗和高可靠性定義了新的標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹其功能原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并討論其電流消耗和預(yù)計(jì)壽命。

功能原理

圖 1 顯示了一款數(shù)字電容隔離器 （DCI） 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。該隔離器輸入分為兩個(gè)差分信號(hào)路徑：一條為高數(shù)據(jù)速率通道（稱(chēng)作 AC-通道），另一條為低數(shù)據(jù)速率通道（稱(chēng)作 DC-通道）。AC-通道傳輸介于 100 kbps 和 100 Mbps 之間的信號(hào)，而DC-通道則涵蓋了從 100 kbps 到 DC 的范圍。

圖 1 數(shù)字電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

高速信號(hào)由 AC 通道來(lái)處理，信號(hào)在通道中首先從單端模式轉(zhuǎn)換為差分模式，然后被隔離層的電容-電阻網(wǎng)絡(luò)差分為許多瞬態(tài)。后面的比較器再將這些瞬態(tài)轉(zhuǎn)換為差分脈沖，從而設(shè)置和重置一個(gè)“或非”門(mén)觸發(fā)器。相當(dāng)于原始輸入信號(hào)的觸發(fā)器輸出饋至判定邏輯 （DCL） 和輸出多路復(fù)用器。DCL 包括一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，該定時(shí)器用于測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間。如果兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間超出定時(shí)窗口（如低頻信號(hào)的情況下），則 DCL 則指示輸出多路復(fù)用器從 AC-通道切換到 DC-通道。

由于低頻信號(hào)要求大容量電容器，而這種電容器使片上集成變得很困難，因此DC-通道的輸入要有脈寬調(diào)制器 （PWM）。該調(diào)制器利用一個(gè)內(nèi)部振蕩器 （OSC） 的高頻載波對(duì)低頻輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。在 AC-通道中對(duì)調(diào)制后信號(hào)的處理過(guò)程與高頻信號(hào)相同。然而，在向輸出多路復(fù)用器提交該信號(hào)以前，需通過(guò)一個(gè)最終低通濾波器 （LPF） 濾除高頻 PWM 載波，以恢復(fù)原始、低頻輸入信號(hào)。

相比其他隔離器技術(shù)，電容隔離器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其 DC-通道在上電和信號(hào)丟失 （LOS） 事件期間隔離器輸出端擁有正確的輸入極性。缺少這些特性的其他隔離器技術(shù)通常會(huì)在上電期間出現(xiàn)輸出突波，或者在信號(hào)丟失以前一直保持在最后一個(gè)輸入極性。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 2 顯示了一個(gè)單通道、電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。從內(nèi)部來(lái)看，隔離器由兩顆芯片組成：一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收機(jī)芯片。實(shí)際隔離層由接收機(jī)芯片上的高壓電容器來(lái)提供。

由于 AC-通道和 DC-通道均使用一種差分信號(hào)技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸期間提供高噪聲抗擾度，因此必需要有 4 個(gè)隔離電容器來(lái)形成一條單隔離數(shù)據(jù)通道。

圖 2 單通道電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 2 的右側(cè)顯示了一個(gè)高壓電容器的橫截面。從發(fā)送器芯片出來(lái)的接合線連接到接收機(jī)端電容器鋁頂板。底板（也為鋁質(zhì)）連接到接收機(jī)邏輯。板之間是夾層電介質(zhì)，其為 16-μm 厚的二氧化硅 （SiO2） 層。

使用 SiO2 作為夾層電介質(zhì)有兩個(gè)好處：一、它是具有最小老化效應(yīng)且最穩(wěn)定的隔離材料之一，因此電容隔離器的預(yù)計(jì)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他技術(shù)；二、使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)就可以處理 SiO2，從而大大降低了生產(chǎn)成本。

電容隔離的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電容 123 毫微微法拉 （123 x 10 -15 F） 的超低容量，從而允許極高的數(shù)據(jù)速率傳輸并實(shí)現(xiàn)多通道隔離器的微電容幾何尺寸。

電流消耗

隔離器電流消耗高度依賴(lài)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相比雙通道隔離器，電感型隔離器似乎具有最低的 DC 電源電流（請(qǐng)參見(jiàn)圖 3）。這是因?yàn)樵撈骷话?2 條信號(hào)通道。但是，電容隔離器包含 4 條通道：2 條 AC 通道和 2 條 DC 通道。因此，其 DC 的電流消耗更高，而且其可靠性也更高，因?yàn)樵谳斎胄盘?hào)丟失的情況下其可確保正確的輸出極性。

系統(tǒng)空閑時(shí)就會(huì)出現(xiàn) DC 電流。幸運(yùn)的是，工業(yè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、PLC 和數(shù)字模擬 I/O 模塊并非針對(duì)系統(tǒng)空閑而設(shè)計(jì)，其目的是將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)娇刂茊卧?，并從控制單元傳輸?shù)絺鲃?dòng)器。這些工作的完成必須是快速、可靠和持續(xù)的。

一般而言，雙通道隔離器用于隔離式 CAN 和 RS-485 總線節(jié)點(diǎn)，其中只有 2 條數(shù)據(jù)線路（發(fā)送和接收）要求隔離。例如，RS-485 收發(fā)器必須能夠在一些極端共模狀態(tài)下提供高達(dá) ± 70mA 的驅(qū)動(dòng)力才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。這樣，即使在低數(shù)據(jù)速率條件下，DC 電流之間的差異也可以忽略不計(jì)。

圖 3 電容和電感隔離器的電流消耗（左圖為雙通 道隔離器，右圖為四通道隔離器）

相比四通道隔離器，圖示結(jié)果有所改善。通道數(shù)為原來(lái)的兩倍，因此電感隔離器的電流消耗也增加了一倍，然而相比雙通道隔離器，四通道電容隔離器的通道數(shù)僅增加了一條。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是，僅使用了一條 DC-通道，其在四條 AC-通道之間得到多路傳輸（請(qǐng)參見(jiàn)圖 4）。DC 通道仍然擁有高可靠性的同時(shí)，總電流消耗維持在最低水平，從而比雙通道版本僅有最低限度的增加。

圖 4 雙通道及四通道電容隔離器的通道結(jié)構(gòu)

四通道隔離器用于隔離包括數(shù)據(jù)和控制線路的接口（例如：SPI），其數(shù)據(jù)速率一般可達(dá) 20 到 80 Mbps。電感和電容隔離器之間的電流消耗在 30 Mbps 下時(shí)已經(jīng)有 10mA 以上的差別，在如 100 Mbps 等更高數(shù)據(jù)速率下時(shí)這一差別可高達(dá) 40mA。

因此，它其實(shí)并非重要的 DC 電流，而是數(shù)據(jù)速率的電流增加，即斜率 Δi/Δf。

預(yù)計(jì)使用壽命

隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命由經(jīng)時(shí)擊穿 （TDDB） 決定，其為一種二氧化硅等電介質(zhì)材料的重要故障模式。由于制造帶來(lái)的雜質(zhì)和不完整性缺陷，電介質(zhì)會(huì)隨時(shí)間而退化。這種退化會(huì)由于電介質(zhì)上施加的電場(chǎng)及其溫度的上升而加快。

預(yù)計(jì)使用壽命的確定是基于 TDDB E 模型，其為一種廣受認(rèn)可的電介質(zhì)擊穿模型。

實(shí)際上，周?chē)鷾囟染S持在 150oC 時(shí)，TDDB 由隔離器的施加應(yīng)力電壓決定（請(qǐng)參見(jiàn)圖 5）。測(cè)試之初便激活一個(gè)計(jì)時(shí)器，其在隔離器電流超出 1 mA 時(shí)停止，表明電介質(zhì)擊穿。記錄每個(gè)測(cè)試電壓的故障時(shí)間，并根據(jù)理論 E 模型曲線進(jìn)行繪圖。

圖 5 TDDB 測(cè)試方法

圖 6 所示的 TDDB 曲線表明，電容隔離器的測(cè)試數(shù)據(jù)（時(shí)間為 5 年）完全匹配 E模型預(yù)測(cè)，從而得出在 400 Vrms （560 Vpk） 工作電壓下 28 年的預(yù)計(jì)使用壽命，而相同電壓下電感隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命則小于 10 年。TDDB 曲線還表明，在 700 V 和 2.5 kV 之間電容隔離器的壽命比電感隔離器長(zhǎng)約 10 倍。

圖 6 電容和電感隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命

若要達(dá)到 10 到 30 年的工業(yè)預(yù)計(jì)使用壽命，使用 SiO2 電介質(zhì)的電容隔離器是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)唯一可行的解決方案。

結(jié)論

因其高可靠性、低電流消耗、高帶寬和長(zhǎng)使用壽命，數(shù)字電容隔離器具有優(yōu)異的性能。TI 提供各種各樣的數(shù)字電容隔離器，包括隔離總線收發(fā)器和新一代 ISO74xx 電容隔離器。
責(zé)任編輯；zl