向數字隔離演進(jìn)，隔離耦合技術(shù)各有千秋

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）不管是工業(yè)場(chǎng)景里應對高壓浪涌、大接地電位差、高側組件通信以及共模瞬態(tài)數據，還是汽車(chē)應用里需要通過(guò)隔離來(lái)實(shí)現敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全問(wèn)題，或者再將范圍擴大到樓宇自動(dòng)化、醫療設備、消費電子產(chǎn)品等相對低壓場(chǎng)景，這些場(chǎng)景里，設備想要安全可靠的運行，都需要使用隔離技術(shù)。

隔離耦合技術(shù)保護了低電壓電路免受高電壓故障影響，又能中斷接地回路來(lái)保持信號完整性，從而實(shí)現不同電壓域之間的通信，是電子電路的一項關(guān)鍵技術(shù)。

引入隔離耦合，提高電路可靠性

隔離耦合技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)不同的耦合技術(shù)分隔不同的電氣系統，從而防止這些部分產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流的同時(shí)仍允許信號和電源傳輸，保障整個(gè)電氣系統的穩定傳輸，并提高整個(gè)電氣系統的可靠性。具體的技術(shù)路線(xiàn)可能不盡相同，光耦路線(xiàn)、容耦路線(xiàn)、磁耦路線(xiàn)都能實(shí)現隔離，但目的都是一致的、

具體來(lái)說(shuō)，隔離耦合技術(shù)需要應對的電路難題有三類(lèi)，其一自然是安全問(wèn)題，尤其是在高壓系統中。其二是為了解決接地回路可能導致的通信子系統之間連接的中斷，接地回路的高電壓差會(huì )導致兩個(gè)通信系統間數據通信出現錯誤。其三則是為了降低接地環(huán)路的噪聲，提高電路抗噪性，接地環(huán)路中的噪聲既來(lái)自外部環(huán)境，也來(lái)自?xún)炔克矐B(tài)行為，抑制這些干擾能有效提高電路可靠性。

兩個(gè)非常典型的隔離耦合應用場(chǎng)景，一個(gè)是汽車(chē)電子，一個(gè)是工業(yè)自動(dòng)化。工業(yè)場(chǎng)景中的高壓電源是必須隔離起來(lái)的，否則這些高壓浪涌帶來(lái)的破壞風(fēng)險太大，輕則損壞現場(chǎng)設備，重則造成人員安全問(wèn)題。而大量工業(yè)設備之間互相關(guān)聯(lián)，涉及很多通信和控制信息的交換，為了確保各系統之間不受干擾穩定可靠地運行，隔離耦合技術(shù)在其中應用得非常廣泛。

汽車(chē)電子系統和工業(yè)自動(dòng)化系統類(lèi)似，尤其是現在汽車(chē)電氣平臺正在向更高的電壓等級發(fā)展趨勢下，隔離的應用變得更加重要。汽車(chē)電子系統中有很多敏感電子元器件和快速瞬變高壓組件，這些組件需要在隔離的環(huán)境中才能保證整車(chē)EV系統的可靠性和安全性，對于電機效率、電源效率的提升也能作出貢獻。

光耦合隔離技術(shù)路線(xiàn)

光耦合隔離技術(shù)路線(xiàn)，一度是隔離技術(shù)路線(xiàn)上的主導技術(shù)，它以光為媒介傳輸電信號，有著(zhù)體積小、壽命長(cháng)、無(wú)觸點(diǎn)，具備抗干擾能力強、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn)。光耦合隔離可以將輸入端隔離，使得輸出端與輸入端完全沒(méi)有電氣聯(lián)系，避免了信號間的干擾和相互干擾的問(wèn)題，保護輸入端和輸出端的安全性。

但隨著(zhù)隔離技術(shù)的不斷發(fā)展，由于光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強度都偏低，高級別的隔離需求下只能通過(guò)在器件內做更多的物理分割來(lái)增強其隔離等級，即便如此在絕大部分情況下它能達到的CMTI也小于容耦和磁耦，所以很多需要增強型隔離的場(chǎng)景不再考慮光耦。

但這也絕不是說(shuō)光耦逐漸在失去隔離市場(chǎng)，作為技術(shù)成熟度很高的隔離手段，光耦有著(zhù)目前還無(wú)法取代的兩大優(yōu)勢。其一是厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢，雖然CMTI無(wú)法做到很高，但是耐壓優(yōu)勢明顯，在需要高耐壓的隔離應用里光耦的地位很穩定。另一個(gè)則是高數據速率，因為以光為媒介傳輸電信號。所以在這一點(diǎn)上光耦的優(yōu)勢也一直保持得很好，如果設計中可以再犧牲一部分CMTI和功耗，光耦還能將數據速率做得更高，這就看應用場(chǎng)景的取舍了。

電容耦合隔離技術(shù)路線(xiàn)

另一條技術(shù)路線(xiàn)，是電容耦合隔離技術(shù)。電容這類(lèi)元器件，大家都非常熟悉，在任何電路中都有著(zhù)不少應用。電容天生就能阻斷直流信號，因此電容隔離技術(shù)基于穿過(guò)電介質(zhì)的交流信號傳輸可以使用更高階調制等方案。因此在數字隔離器興起后，很多廠(chǎng)商都通過(guò)該技術(shù)路線(xiàn)開(kāi)辟出了一條隔離路線(xiàn)，如TI、Silicon Labs和納芯微等，這些廠(chǎng)商都在容耦路線(xiàn)上開(kāi)發(fā)出了獨特的隔離方案。

電容耦合隔離技術(shù)能實(shí)現高階調制，有著(zhù)壽命長(cháng)、功耗低優(yōu)點(diǎn)。而且由于容耦采用片上電容原理進(jìn)行信號的隔離傳輸，所以其傳輸速率也是很高的，延遲也能做到很低。而且利用電容的頻信號調制解調其抗EMI性能也很不錯。

除此之外，作為幾種技術(shù)路線(xiàn)中內部絕緣厚度最小的技術(shù)，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亞胺的磁耦厚度小了接近10μm，這既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。缺點(diǎn)就在于，絕緣厚度的限制，可能給容耦帶來(lái)浪涌保護能力會(huì )比較有限的問(wèn)題，在高壓系統里這一點(diǎn)會(huì )更明顯。當然，目前也有很多對策來(lái)盡可能降低容耦隔離的缺陷，比如通過(guò)多層電容和多層鈍化方法來(lái)提高容耦在高壓浪涌上的可靠性。

這條技術(shù)路線(xiàn)上國內廠(chǎng)商納芯微非常具有代表性，其Adaptive OOK的信號調制技術(shù)，在EMI輻射，誤碼率上性能很突出，同時(shí)還能有效提高隔離器件抗共模噪聲（CMTI）的能力，在全球市場(chǎng)競爭中非常有競爭力。

磁耦合隔離技術(shù)路線(xiàn)

數字隔離技術(shù)另一大方向，磁耦合隔離，也是數字隔離經(jīng)常采用的一個(gè)方案。磁耦通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行能量傳遞將信號進(jìn)行隔離傳輸，利用變壓器原理，在另一個(gè)線(xiàn)圈生成感應電流，形成隔離前端的電流變化通過(guò)線(xiàn)圈引起隔離另一側的電流變化。

磁耦合隔離技術(shù)最明顯的優(yōu)勢是能夠改善傳輸延遲和延遲偏差，這是其他隔離技術(shù)沒(méi)辦法實(shí)現的。在高頻DC/DC電源轉換中，幾乎都會(huì )使用這種方案來(lái)發(fā)送高頻信號并實(shí)現隔離，既能傳輸數百毫瓦的功率，還無(wú)需次級側偏置電源。

但其缺點(diǎn)在于，磁耦中的變壓器本身就是輻射源，在EMI干擾上不可避免地會(huì )更嚴重一些。而且由于其能實(shí)現的功能，成本也相對較高。

這條路線(xiàn)上最著(zhù)名的莫過(guò)于ADI的 iCoupler技術(shù)，ADI利用iCoupler技術(shù)實(shí)現了很多難以實(shí)行隔離的設計。

小結

隨著(zhù)工業(yè)和汽車(chē)應用的興起以及寬帶隙半導體的普及，數字隔離技術(shù)可以發(fā)揮的空間越來(lái)越大。以容耦和磁耦為代表的隔離技術(shù)，也在隔離技術(shù)的競爭中占據更多席位。當然，在低成本的應用中，光耦仍舊是性?xún)r(jià)比很高的選擇。