工程師分享：正確選擇數(shù)字隔離器的三要素

　　多年來，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計人員實現(xiàn)安全隔離的手段有限，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、效率和集成度方面均有優(yōu)勢。了解數(shù)字隔離器三個關(guān)鍵要素的特點及其相互關(guān)系，對于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。

　　設(shè)計人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)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(shù)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。

　　傳統(tǒng)隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響。它們的功耗極高，而且數(shù)據(jù)速率低于1Mbps。雖然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。

　　數(shù)字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關(guān)的不利影響。數(shù)字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節(jié)省成本和功耗，同時大大提高數(shù)據(jù)速率。數(shù)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(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的選擇應(yīng)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(shè)計目標，但有一個目標必須不折不扣地實現(xiàn)，那就是符合安全法規(guī)。

　　絕緣材料

　　數(shù)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(chǎn)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(jīng)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(chǔ)，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

　　安全標準通常規(guī)定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5kVrms至5kVrms)和工作電壓(典型值125Vrms至400Vrms)。某些標準也會規(guī)定更短的持續(xù)時間、更高的電壓(如10kV峰值并持續(xù)50μs)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供最佳的隔離特性，如表1所示。

　　表1：隔離特性

　　基于聚酰亞胺的數(shù)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(yī)療和其他應(yīng)用。

　　各種薄膜的固有應(yīng)力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力低于SiO2薄膜，可以根據(jù)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15μm時，應(yīng)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?shù)字隔離器可以使用厚達26μm的隔離層。

　　隔離器結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字隔離器使用變壓器或電容將數(shù)據(jù)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發(fā)出的光。

　　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(yīng)電流。電流脈沖很短(1ns)，因此平均電流很低。

　　圖1.(a)帶厚聚酰亞胺絕緣層的互感器，電流脈沖產(chǎn)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(shù)據(jù)耦合到隔離柵的另一端。

　　互感器采用差分連接，提供高達100kV/μs的出色共模瞬變抗擾度(光耦合器通常約為15kV/μs)。磁性耦合對變壓器線圈間距離的敏感性也弱于容性耦合對板間距離的依賴性，因此，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(jié)合聚酰亞胺薄膜的低應(yīng)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(xiàn)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。

　　除整體性能外，使用該變壓器還有其他好處：它們支持集成隔離電源。ADI的isoPower技術(shù)集成帶數(shù)據(jù)隔離功能的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，可創(chuàng)建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?；陔娙莼蚧贚ED的隔離器無法實現(xiàn)這類解決方案。

　　數(shù)據(jù)傳輸方法

　　光耦合器使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)跨越隔離柵傳輸——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(guān)注功耗的應(yīng)用，光耦合器不是一個好的選擇。多數(shù)光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調(diào)理留給設(shè)計人員實現(xiàn)，而這并不一定是非常簡單的工作。

　　數(shù)字隔離器使用更先進的電路來編碼和解碼數(shù)據(jù)，支持更快的數(shù)據(jù)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(qū)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，功率無需連續(xù)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(shù)據(jù)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(diào)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(xù)RF傳輸。一般將其稱為“開關(guān)”方案。此方案的優(yōu)勢是它可以更快地跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)；但抖動有時會是個問題。此外，開關(guān)方案的功耗高于脈沖方法，因為邏輯高電平信號需要持續(xù)消耗電能。采用脈沖方法，則功耗可以降低至1μW的最低水平，這是其他方法所不能比擬的。

　　也可以采用差分技術(shù)來提供共模抑制，不過，這些技術(shù)最好配合互感器等差分元件使用。

　　選擇正確的組合

　　數(shù)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(yōu)勢。在數(shù)字隔離器領(lǐng)域，不同的絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法組合造就不同的產(chǎn)品，而不同的產(chǎn)品適合不同的具體應(yīng)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(yīng)用，但醫(yī)療保健和重工業(yè)設(shè)備等要求最嚴格的應(yīng)用受益最大。為了實現(xiàn)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(yīng)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(jié)合差分數(shù)據(jù)傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。

　　圖3.不同的隔離器特性組合導致不同的品質(zhì)因數(shù)。有一點是毫無疑問的：光耦合器遠不如數(shù)字隔離器。

　　雖然每一位設(shè)計人員都會選擇最適合其應(yīng)用、擁有適當平衡特性的隔離器，但有三個參數(shù)是非常重要的：時序、功耗，當然還有隔離。為了對不同的技術(shù)進行評估，考慮圖3中的情形。圖中采用的品質(zhì)因數(shù)基于時序/隔離能力，然后根據(jù)功耗繪出曲線。在這種情況下，我們選擇了浪涌耐受閾值(2μs上升時間和50μs下降時間的高壓脈沖，用來建立加強型隔離的適用性)來測量隔離能力。功耗表示1Mbps數(shù)據(jù)速率下每通道的最大功耗，單位是mW；我們選用1Mbps作為代表性的速率，因為大部分功耗敏感型應(yīng)用工作在中等數(shù)據(jù)速率下。對于時序而言，我們關(guān)心信號跨越隔離柵傳輸?shù)目倳r序延遲。因此，它不僅包含傳播延遲，還包括抖動和輸出上升與下降時間。

　　結(jié)論

　　ADI公司在開發(fā)其數(shù)字隔離技術(shù)時，考慮了數(shù)字隔離四要素的各不同之處，并重點關(guān)注絕緣材料、隔離元件以及跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)的方法。ADI公司的核心iCoupler技術(shù)基于聚酰亞胺絕緣和芯片級變壓器，因為這種組合可提供極佳的靈活性，不僅能集成其他功能(如隔離電源)，還允許使用不同的數(shù)據(jù)傳輸方法。ADI將近14年來始終采用的脈沖方法依然可提供出色的能效和時序性能，同時保留采用其他具備自身優(yōu)勢的方法的可能性。所有這一切均可在不犧牲隔離能力的前提下實現(xiàn)，這是設(shè)計人員使用隔離器的首要原因。