數字隔離

數字隔離簡介

　　數字隔離技術常用于工業網絡環境的現場總線、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環境比較惡劣的場合。數字隔離電路主要用于數字信號和開關量信號的傳輸。使用隔離電路的一個首要原因是為了消除噪聲。另一個重要原因是保護器件（或人）免受高電壓的危害。廠商的產品手冊中所列出的隔離等級（isolationrating）應符合美國保險商實驗室（UL1577）、國際電工委員會（IEC60747-5-2、IEC61010-1）以及加拿大標準協會（CSAComponentAcceptanceNotice5A）制定的有關隔離器標準。

數字隔離百科

　　數字隔離技術常用于工業網絡環境的現場總線、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環境比較惡劣的場合。數字隔離電路主要用于數字信號和開關量信號的傳輸。使用隔離電路的一個首要原因是為了消除噪聲。另一個重要原因是保護器件（或人）免受高電壓的危害。廠商的產品手冊中所列出的隔離等級（isolationrating）應符合美國保險商實驗室（UL1577）、國際電工委員會（IEC60747-5-2、IEC61010-1）以及加拿大標準協會（CSAComponentAcceptanceNotice5A）制定的有關隔離器標準。

　　各類數字隔離器件的工作原理及特點

　　光電隔離器

　　光耦合器（opticalcoupler）也叫光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件。發光器（紅外線發光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）被封裝在同一管殼內，當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優點，在數字電路上獲得了廣泛的應用。其電路結構相對較為簡單，主要由砷化鎵紅外發光二極管和用作檢測器的光敏二極管或三極管組成，有些產品在光敏二極管或三極管的后級添加一些處理電路，使其特性適合于一些特殊的應用或實現一些標準接口。安華高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框圖如圖1所示。

　　圖1安華高公司耦合器HCPL-0723的原理框圖

　　光耦合長久以來一直用于工業網絡，電氣層接口的早期參考設計中通常包括光耦合器。其主要優勢是光線具有抗外部電磁場干擾的固有特性，而且光耦合可實現穩態信息的傳輸。不足之處在于傳輸速度有限、功耗大并且發光二極管（LED）易受時間及溫度的影響而老化。

　　電感式隔離器

　　與光耦合一樣，電感耦合也有較長的應用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數字器件。但隨著制造工藝的進步和研發設計水平的提高，電感式數字隔離器件得到了迅速的發展和廣泛的運用。

　　電感耦合使用不斷變化的磁場來通過隔離層實現通信。電感耦合的優勢之一是可以在不明顯降低差模信號的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個優勢是信號能量的轉換效率極高，因而可以實現低功耗隔離器。缺點之一是易受外部磁場（噪聲）的干擾。馬達控制等工業應用在磁場環境中通常需要隔離。電感耦合另一個值得關注的問題是數字數據與數據游程長度（Datarun-length，連續“1”或“0”的數目）的傳輸。初級繞組與次級繞組之間的耦合能夠以可接受的衰減量傳遞一定頻率范圍的信號。數據游程長度的限制或時鐘編碼要求信號必須保持在變壓器的可用帶寬范圍內。使用電感耦合的通用數字隔離器需要對信號進行處理才能傳輸并重建數字信號，以及傳輸代表一長串“1”或“0”的低頻信號，甚至直流電平。

　　變壓器是一個最常見的例子：初級繞組及次級繞組的結構（單位長度的圈數）、磁芯介電常數以及電流強度決定了磁場強度。根據對數字信號編解碼的不同，主要有以采用脈沖調制（ADI公司）和射頻調制（芯科實驗室）為主的兩類產品。而采用巨磁電阻（GMR）效應技術設計的數字隔離器件是另一個例子，以NVE公司和安華高公司為代表。

　　脈沖調制變壓器隔離器件

　　ADI公司的iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調制方式實現的數字隔離器件。平面變壓器采用CMOS金屬層，頂部鍍了一層金用于鈍化。在鍍金層下面的抗高擊穿電壓的聚酰亞胺層將其頂部的變壓器線圈和底部線圈隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。晶片級信號處理提供了一種在單顆芯片中集成多個隔離通道以及其它半導體功能的低成本方法。iCoupler技術消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90%，并且無需外部驅動器或分立器件。

　　數字信號的傳送是通過發送大約1ns寬的短脈沖到變壓器另一端來實現的，兩個連續的短脈沖表示一個上升沿，單個短脈沖表示下降沿。信號傳送框圖如圖2所示。次級端有一個不可重復觸發的單穩態電路產生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測到單個脈沖，輸出就置為低電平。采用一個輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒有檢測到信號邊緣，發送刷新脈沖信號給變壓器來保證直流的正確性（直流校正功能）。如果輸入為高電平，就產生兩個連續的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產生單個短脈沖刷新。這對于上電狀態和具有低數據速率的輸入波形或恒定的直流輸入是很重要的。為了補充驅動器端的刷新電路，在接收器端采用了一個監視定時器來保證在沒有檢測到刷新脈沖時，輸出處于一種故障安全狀態。ADI公司ADuM1100器件原理框圖如圖3所示。

　　圖2ADI公司iCoupler系列數字信號傳輸框圖

　　圖3ADI公司ADuM1100器件原理框圖

　　射頻調制變壓器隔離器件

　　芯科實驗室公司是采用射頻調制變壓器技術研發生產數字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構為基礎，利用標準全CMOS工藝制造多組芯片級變壓器，能夠提供整合度最高的4通道隔離功能。產品中采用的射頻編碼和譯碼機制使得不需要特別考慮或初始設定，就能提供可靠的隔離數據路徑。芯科實驗室公司產品的優點與ADI公司的產品類似，但也有一個很明顯的缺點。由于采用射頻調制，內部有2.1GHz的載波產生及檢測，載波和諧波會對外界產生電磁輻射，不過電磁輻射值滿足FCC（美國通信委員會）標準要求。該公司射頻調制隔離器件的實現原理框圖如圖4所示。

　　圖4射頻調制隔離器件實現原理框圖

　　巨磁電阻隔離器件

　　NVE公司的IL系列和安華高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速數字隔離器件是采用巨磁電阻技術集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應電流，產生正比的磁場?？偟拇艌龈淖僄MR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。該類器件優點與別的電感式器件類似，但有幾個明顯的缺點：上電或初始狀態時輸入與輸出可能狀態不一致;對輸入噪聲敏感，伴隨一個噪聲尖峰，輸出不穩定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會振蕩;對較緩的脈沖上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會振蕩;輸出有過沖;無直流校正功能，無法傳輸直流信號。NVE公司巨磁電阻隔離器件IL710的實現原理圖如圖5所示。

　　圖5NVE公司IL710實現原理框圖

　　電容耦合隔離器件

　　電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質絕緣體（二氧化硅），即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優勢是效率高，無論在體積、能量轉換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實現低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能?？垢蓴_性則使得器件可以在飽和或密集磁場環境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高于可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗而對噪聲呈現高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數據。

　　TI公司的ISO72x系列數字隔離器采用電容耦合技術。電容耦合解決方案使用了經過驗證的低成本制造工藝，能夠提供固有的抗磁場干擾特性。ISO72x使用“AC”與“DC”兩種通道進行通信，如圖6所示。“AC”通道不經過編碼，而是經單端至差分轉換后直接通過隔離層傳輸數據。差分信號傳輸的優點是可抑制接收機的共模噪聲。共模抑制與耦合介質（對噪聲呈現高阻抗，對高頻數據呈現低阻抗）共同實現了瞬態抗干擾功能。“DC”通道將輸入數據轉換成脈寬調制（PWM）格式，并使用差分方式通過隔離層傳輸數據。PWM與隔離層接收側的脈寬解調器（PWD）可確保穩態條件（1或0的長字符串）下能夠正確通信。此外，“DC”通道還可提供自動防護功能。自動防護指的是在出現輸入故障的情況下對輸出狀態的判斷。ISO72x系列器件使用載波檢測功能來確定輸入結構的電源是否處于“開啟”以及該結構是否正在運行。如果該載波檢測器在4ms內未檢測到脈沖，則會將輸出設置為邏輯高電平。

　　圖6TI公司ISO72X系列實現原理框圖

　　各類數字隔離器件性能比較

　　表1對各類數字隔離器件的性能指標進行了歸納比較，供研發設計師在設計產品時參考。各公司的隔離器件只要通道數相同，都采用相同的封裝，引腳相互兼容，僅有部分引腳定義稍有差異，大多數情況下都可相互替換。產品設計師可根據具體需要選擇不同公司的產品，也可在調試時更換，給產品設計留下了更多的選擇空間。

　　應用實例

　　ADuM1100應用

　　某便攜產品設計時收發模塊需向信號處理模塊提供0、1電平的狀態線1根和40MHz方波時鐘，系統要求信號處理模塊需對這兩根信號線進行隔離接收。最初設計時選用了安華高公司的光電隔離器HCPL-063實現狀態線的隔離，NVE公司的IL710實現時鐘的隔離。改進設計時，電路板不變，充分利用ADI公司ADuM系列隔離器件的直流校正功能，直接用ADuM1100替代HCPL-063和IL710，實驗結果性能良好。當然，也可用TI公司的ISO721替代。若電路板重新設計，則可選用雙通道具有直流校正功能的隔離器件，如ADI公司的ADuM1200或TI公司的ISO7220，來替代單通道的HCPL-063和IL710器件。

　　ADuM5241應用

　　某通信設備的控制模塊需與外部設備通過RS-422異步串口進行通信，系統要求通信設備的控制模塊內異步串口需與其它電路進行隔離。開始設計時，選用TI公司的隔離電源轉換芯片DCR01，將內部一路+5V電源轉換成一路單獨+5V，給隔離芯片IL712和電平轉換芯片RS422供電，隔離所需電源的電流大約為5mA。改進設計時，由于ADI公司的ADuM5241除了實現數字信號的隔離作用外，還內置了DC/DC轉換器，能向該芯片隔離端提供電源，并向采用5V電源的各種應用提供高達10mA的電流。故采用ADuM5241器件代替DCR01和IL712器件，實現了同樣的功能，同時節約了空間，減少了器件，降低了成本。

　　結語

　　隨著數字電路和通信產業的飛速發展，數字隔離器件得到了廣泛的應用。本文介紹了最新幾種數字隔離技術及器件的工作原理和優缺點，電路設計師可根據具體的電路特點，選擇合適的數字隔離器件。

　　數字隔離器選型及應用經驗談

　　數字隔離器是電子系統中，數字信號和模擬信號進行傳遞時，使其且具有很高的電阻隔離特性，以實現電子系統與用戶之間的隔離的一種芯片。設計人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規或者降低接地環路的噪聲等。電流隔離確保數據傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。

　　隔離器主要是用在隔離高壓（危險電路）系統和低壓（安全電路）系統之間的電氣連接，以保護用戶以及電路系統安全，以及隔離敏感電路（比如高精度檢測電路）和噪聲源（例如大功率開關電源）之間的連接，以減小噪聲干擾。

　　隔離器的主要結構大致有四種： 一是傳統光電耦合; 二是集成式變壓器（磁耦合）;三是集成式電容耦合; 四是分立式變壓器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光檢測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。它的主要優點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設備及微機接口中。

　　多年來，工業、醫療和其他隔離系統的設計人員實現安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。 隨著近幾年數據傳輸的速度不斷提升，傳統的光耦合器也暴露出一些缺點，例如，整個電路體積大，集成度不高，而且光電耦合器件本身具有易損耗、速度較慢（一般的數據速率低于1Mbps）、耗電量大等缺點，特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩定，為其應用帶來局限，特別是在工業應用中這些問題就比較突出。為了克服光電隔離技術的諸多缺點，許多半導體公司開始研發不發光的隔離器解決方案。如今，數字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優勢。了解數字隔離器三個關鍵要素的特點及其相互關系，對于正確選擇數字隔離器十分重要。這三個要素是：絕緣材料、結構和數據傳輸方法。

　　數字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關的不利影響。數字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節省成本和功耗，同時大大提高數據速率。數字隔離器由上述要素界定。絕緣材料決定其固有的隔離能力，所選材料必須符合安全標準。結構和數據傳輸方法的選擇應以克服上述不利影響為目的。所有三個要素必須互相配合以平衡設計目標，但有一個目標必須不折不扣地實現，那就是符合安全法規。

　　絕緣材料

　　數字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標準材料會使生產復雜化，導致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物（如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜）和二氧化硅（SiO2）。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

　　圖1. （a） 帶厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器，電流脈沖產生磁場，在另一個線圈中感生電流;（b） 帶薄SiO2絕緣層的電容，利用低電流電場將數據耦合到隔離柵的另一端。

　　表1. 基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提供最佳的隔離特性

　　安全標準通常規定1分鐘耐壓額定值（典型值2.5 kV rms至5 kV rms）和工作電壓（典型值125 V rms至400 V rms）。某些標準也會規定更短的持續時間、更高的電壓（如10 kV峰值并持續50 μs）作為增強絕緣認證的一部分要求?；诰酆衔?聚酰亞胺的隔離器可提高最佳的隔離特性，如表1所示。

　　基于聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時壽命更長?；赟iO2的隔離器對浪涌的防護能力相對較弱，不能用于醫療和其他應用。

　　各種薄膜的固有應力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應力低于SiO2薄膜，可以根據需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限;超過15 μm時，應力可能會導致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層?；诰埘啺返臄底指綦x器可以使用厚達26 μm的隔離層。

　　隔離器結構

　　數字隔離器使用變壓器或電容將數據以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED光。

　　如圖1所示，變壓器電流脈沖通過一個線圈，形成一個很小的局部磁場，從而在另一個線圈生成感應電流。電流脈沖很短（1 ns），因此平均電流很低。

　　變壓采用差分連接，提供高達100 kV/μs的出色共模瞬變抗擾度（光耦合器通常約為15 kV/μs）。磁性耦合對變壓器線圈間距離的依賴性也弱于容性耦合對板間距離的依賴性，因此，變壓變壓器線圈之間的絕緣層可以更厚，從而獲得更高的隔離能力。結合聚酰亞胺薄膜的低應力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實現高級隔離性能。

　　電容為單端連接，更容易受共模瞬變影響。雖然可以用差分電容對來彌補，但這會增大尺寸并提高成本。

　　電容的優勢之一是它使用低電流來產生耦合電場。當數據速率較高時（25 Mbps以上），這一優勢就相當明顯。

　　數據傳輸方法

　　光耦合器使用LED發出的光將數據傳輸到隔離柵的另一端：LED點亮時表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當LED點亮時，光耦合器需要消耗電能;對于關注功耗的應用，光耦合器不是一個好的選擇。多數光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調理留給設計人員實現，而這并不一定是非常簡單的工作。

　　數字隔離器使用更先進的電路來編碼和解碼數據，支持更快的數據傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復雜的雙向接口。

　　一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅動變壓器（圖2）。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因為不像光耦合器，電源無需連續提供給器件。器件中可以包括刷新電路，以便定期更新直流電平。

　　圖2. 一種數據傳輸方法是將邊沿編碼為單脈沖或雙脈沖

　　另一種方法是使用RF調制信號，其使用方式與光耦合器使用光的方式非常相似，邏輯高電平信號將引起連續RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因為邏輯高電平信號需要持續消耗電能。

　　也可以采用差分技術來提供共模抑制，不過，這些技術最好配合變壓器等差分元件使用。

　　選擇正確的組合

　　數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優勢。在數字隔離器領域，不同的絕緣材料、結構和數據傳輸方法組合造就不同的產品，而不同的產品適合不同的具體應用。如上所述，基于聚合物的材料提供最魯棒的隔離能力，這種材料幾乎適合所有應用，但醫療保健和重工業設備等要求最嚴格的應用受益最大。為了實現最魯棒的隔離，聚酰亞胺厚度可以超過對電容而言的合理厚度;因此，基于電容的隔離最適合不需要安全隔離的功能隔離應用。在這種情況下，基于變壓器的隔離可能是最合理的，特別是結合差分數據傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。