優(yōu)秀模擬工程師必備(三):數(shù)字隔離與模擬隔離

　　工業(yè)電路設(shè)計的工程師都要用隔離技術(shù)來解決安全問題、法規(guī)監(jiān)管，以及接地層問題。如果您的電路中做了隔離，就可以在兩個點之間交換信息和功率，而不會有實際的電流流動。隔離有兩大好處。首先，它能防止人員和設(shè)備遭受到有潛在危險的浪涌電流和電壓。其次，它可以防止意外的接地回路，從數(shù)據(jù)鏈路和其它互連對信號造成干擾。根據(jù)幾種常見的隔離技術(shù)做了詳細和說明。

　　數(shù)字隔離技術(shù)介紹

　　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(fēng)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(biāo)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，功耗極高，而且數(shù)據(jù)速率低于1 Mbps。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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)，但有一個目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)材料會使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)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(biāo)準(zhǔn)也會規(guī)定更短的持續(xù)時間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續(xù)50 μs)作為增強絕緣認證的一部分要求。基于聚合物/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(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15 μm時，應(yīng)力可能會導(dǎo)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26 μm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光。

　　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(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。

　　電容的優(yōu)勢之一是它使用低電流來產(chǎn)生耦合電場。當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高時(25 Mbps以上)，這一優(yōu)勢就相當(dāng)明顯。

　　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)傳輸?shù)礁綦x柵的另一端：LED點亮?xí)r表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當(dāng)LED點亮?xí)r，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(fù)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，電源無需連續(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。

　　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。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(xù)消耗電能。

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

　　數(shù)字隔離器的浪涌測試

　　許多應(yīng)用要求隔離危險電壓，以符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。為了確保設(shè)備和操作人員的安全，這些標(biāo)準(zhǔn)往往要求隔離元件(如數(shù)字隔離器或光耦合器)能承受10 kV(峰值)以上的高壓浪涌。因此，測試隔離器浪涌性能是開發(fā)安全、可靠器件的必要環(huán)節(jié)。

　　國際電工委員會(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個組織出版的標(biāo)準(zhǔn)就隔離技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)、消費以及汽車等系統(tǒng)中的系統(tǒng)級和元件級應(yīng)用進行了規(guī)定。為了確保在出現(xiàn)高壓浪涌時人員和設(shè)備的安全，這些標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)具體應(yīng)用所需要的隔離等級規(guī)定了不同的浪涌額定值。

　　共有三類常見的隔離等級：功能隔離、基本隔離和增強隔離。功能隔離僅有少量安全要求，因為它一般只用于要求隔離接地基準(zhǔn)電壓的場合，以保證電路能正常工作?？梢?，安全性和浪涌性能并不是功能隔離的主要考慮因素。

　　然而，安全性卻是基本隔離和增強隔離的主要考慮因素，因此，浪涌電平是確定隔離質(zhì)量的關(guān)鍵。基本隔離可以保護終端設(shè)備用戶，使其免受電擊，增強隔離是一種單獨的隔離系統(tǒng)，其提供的保護能力相當(dāng)于兩個冗余的單個或基本隔離系統(tǒng)。醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用一般要求增強隔離，以保護病人和終端用戶，使其免受致命性電擊的影響。VDE針對數(shù)字隔離器的增強隔離標(biāo)準(zhǔn)是VDE 0884-10，規(guī)定最小浪涌電壓(VIOSM)額定值為10 kV，同時對工作電壓(VIORM)和耐受電壓(VISO)作出了規(guī)定。

　　數(shù)字隔離器的浪涌電壓額定值規(guī)定的是在經(jīng)受連續(xù)短暫高壓脈沖之后的抗沖擊能力。圖1所示為符合IEC 61000-4-5的浪涌波形的時序特性。

　　圖1. 浪涌電壓波形

　　測試時，把設(shè)備放在一個測試板上，使隔離柵兩端的所有引腳短路(見圖2)。將一個高壓脈沖發(fā)生器通過一個1000Ω/1000 pF網(wǎng)絡(luò)連接到隔離柵的一端。發(fā)生器回路連接到隔離柵另一端。將一個100 kΩ、2.5 W的電阻跨接于隔離柵上，以便施加各個脈沖之后使電路放電。用一個帶1000:1高壓探頭的示波器監(jiān)控脈沖。將放電槍設(shè)置為測試計劃規(guī)定的最低電壓，示波器設(shè)為單次觸發(fā)。在該電壓電平下施加10個脈沖，并用示波器對各個脈沖進行監(jiān)控。通過驟降脈沖幅度(在不到50 μs的時間內(nèi)下降到50%)可發(fā)現(xiàn)隔離柵中的缺口。如果部件可以承受10個脈沖，則提高放電槍電壓，再施加10個脈沖。持續(xù)進行，直到隔離柵發(fā)生故障為止，或者直到達到最大測試電壓為止。

　　圖2. 浪涌測試設(shè)置

　　能否通過該測試主要取決于隔離厚度(亦稱為隔離距離，縮寫為DTI)以及隔離材料的質(zhì)量。應(yīng)用的電場往往在絕緣體內(nèi)部的缺陷點聚集，因此，較低的缺陷密度一般會帶來較高的擊穿額定值。較厚的材料對擊穿的抗擊能力更強，因為場強與絕緣體任一端的導(dǎo)體之間的距離成反比。

　　以上我們解釋了數(shù)字隔離器的隔離要素及數(shù)字隔離器的浪涌測試，下面我們將為大家?guī)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模擬隔離">模擬隔離的技術(shù)及應(yīng)用。