最近在芯片設計和制造方面的技術進步已經(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準。本文將介紹其功能原理和內(nèi)部結構，并討論其電流消耗和預計壽命。
功能原理
圖 1 顯示了一款數(shù)字電容隔離器?(DCI) 的內(nèi)部結構圖。該隔離器輸入分為兩個差分信號路徑：一條為高數(shù)據(jù)速率通道(稱作 AC-通道)，另一條為低數(shù)據(jù)速率通道(稱作 DC-通道)。AC-通道傳輸介于 100 kbps 和 100 Mbps 之間的信號，而DC-通道則涵蓋了從 100 kbps 到 DC 的范圍。
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圖 1 數(shù)字電容隔離器的內(nèi)部結構圖
高速信號由 AC 通道來處理，信號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，從而設置和重置一個“或非”門觸發(fā)器。相當于原始輸入信號的觸發(fā)器輸出饋至判定邏輯(DCL) 和輸出多路復用器。DCL 包括一個看門狗定時器，該定時器用于測量信號轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時間。如果兩個連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時間超出定時窗口(如低頻信號的情況下)，則 DCL 則指示輸出多路復用器從 AC-通道切換到 DC-通道。
由于低頻信號要求大容量電容器，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)制器利用一個內(nèi)部振蕩器 (OSC) 的高頻載波對低頻輸入信號進行調(diào)制。在 AC-通道中對調(diào)制后信號的處理過程與高頻信號相同。然而，在向輸出多路復用器提交該信號以前，需通過一個最終低通濾波器 (LPF) 濾除高頻 PWM 載波，以恢復原始、低頻輸入信號。
相比其他隔離器技術，電容隔離器的一個主要優(yōu)點是其 DC-通道在上電和信號丟失 (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通常會在上電期間出現(xiàn)輸出突波，或者在信號丟失以前一直保持在最后一個輸入極性。
內(nèi)部結構
圖 2 顯示了一個單通道、電容隔離器的內(nèi)部結構簡化結構圖。從內(nèi)部來看，隔離器由兩顆芯片組成：一個發(fā)送器和一個接收機芯片。實際隔離層由接收機芯片上的高壓電容器來提供。
由于 AC-通道和 DC-通道均使用一種差分信號技術在數(shù)據(jù)傳輸期間提供高噪聲抗擾度，因此必需要有 4 個隔離電容器來形成一條單隔離數(shù)據(jù)通道。
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圖 2 單通道電容隔離器的內(nèi)部結構
圖 2 的右側(cè)顯示了一個高壓電容器的橫截面。從發(fā)送器芯片出來的接合線連接到接收機端電容器鋁頂板。底板(也為鋁質(zhì))連接到接收機邏輯。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)有兩個好處：一、它是具有最小老化效應且最穩(wěn)定的隔離材料之一，因此電容隔離器的預計壽命遠遠超過其他技術;二、使用標準半導體制造技術就可以處理 SiO2，從而大大降低了生產(chǎn)成本。
電容隔離的另外一個優(yōu)點是每個電容 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于內(nèi)部結構。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(請參見圖 3)。這是因為該器件只包含 2 條信號通道。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，因為在輸入信號丟失的情況下其可確保正確的輸出極性。
系統(tǒng)空閑時就會出現(xiàn) DC 電流。幸運的是，工業(yè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、PLC 和數(shù)字模擬 I/O 模塊并非針對系統(tǒng)空閑而設計，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)絺鲃悠?。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，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 ± 70mA 的驅(qū)動力才能達到標準。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。
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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)