第二代數(shù)字電容隔離器定義高性能新標(biāo)準(zhǔn)

　　盡管數(shù)字隔離器已經(jīng)代替了模擬隔離器，從而簡(jiǎn)化了隔離接口的設(shè)計(jì)，但廣大設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是日益增長(zhǎng)的高系統(tǒng)性能需求。這里所說(shuō)的高性能不僅僅指高數(shù)據(jù)速率和/或低功耗，而且還指高可靠性。一方面，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中通過(guò)穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)滿足這一需求。另一方面，特別是對(duì)隔離器而言，通過(guò)長(zhǎng)使用壽命來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

　　最近在芯片設(shè)計(jì)和制造方面的技術(shù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹其功能原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并討論其電流消耗和預(yù)計(jì)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(jié)構(gòu)圖。該隔離器輸入分為兩個(gè)差分信號(hào)路徑：一條為高數(shù)據(jù)速率信道(稱作AC-信道)，另一條為低數(shù)據(jù)速率信道(稱作DC-信道)。AC-通道傳輸介于100kbps和100Mbps之間的信號(hào)，而DC-通道則涵蓋了從100kbps到DC的范圍。

圖1：數(shù)字電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

　　高速信號(hào)由AC通道來(lái)處理，信號(hào)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(luò)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(shè)置和重置一個(gè)“或非”門(mén)觸發(fā)器。相當(dāng)于原始輸入信號(hào)的觸發(fā)器輸出饋至判定邏輯(DCL)和輸出多路復(fù)用器。DCL包括一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，該定時(shí)器用于測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間。如果兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間超出定時(shí)窗口(如低頻信號(hào)的情況下)，則DCL則指示輸出多路復(fù)用器從AC-信道切換到DC-信道。

　　由于低頻信號(hào)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(gè)內(nèi)部振蕩器(OSC)的高頻載波對(duì)低頻輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。在AC-通道中對(duì)調(diào)制后信號(hào)的處理過(guò)程與高頻信號(hào)相同。然而，在向輸出多路復(fù)用器提交該信號(hào)以前，需通過(guò)一個(gè)最終低通濾波器(LPF)濾除高頻PWM載波，以恢復(fù)原始、低頻輸入信號(hào)。

　　相比其他隔離器技術(shù)，電容隔離器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其DC-通道在上電和信號(hào)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(shù)通常會(huì)在上電期間出現(xiàn)輸出突波，或者在信號(hào)丟失以前一直保持在最后一個(gè)輸入極性。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　圖2顯示了一個(gè)單通道、電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。從內(nèi)部來(lái)看，隔離器由兩顆芯片組成：一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收機(jī)芯片。實(shí)際隔離層由接收機(jī)芯片上的高壓電容器來(lái)提供。

　　由于AC-信道和DC-信道均使用一種差分信號(hào)技術(shù)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(gè)隔離電容器來(lái)形成一條單隔離數(shù)據(jù)通道。

圖2：?jiǎn)瓮ǖ离娙莞綦x器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　圖2的右側(cè)顯示了一個(gè)高壓電容器的橫截面。從發(fā)送器芯片出來(lái)的接合線連接到接收機(jī)端電容器鋁頂板。底板(也為鋁質(zhì))連接到接收機(jī)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(gè)好處：一、它是具有最小老化效應(yīng)且最穩(wěn)定的隔離材料之一，因此電容隔離器的預(yù)計(jì)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他技術(shù)；二、使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電容123毫微微法拉(123x10-15F)的超低容量，從而允許極高的數(shù)據(jù)速率傳輸并實(shí)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(jié)構(gòu)。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(qǐng)參見(jiàn)圖3)。這是因?yàn)樵撈骷话?條信號(hào)通道。但是，電容隔離器包含4條通道：2條AC信道和2條DC信道。因此，其DC的電流消耗更高，而且其可靠性也更高，因?yàn)樵谳斎胄盘?hào)丟失的情況下其可確保正確的輸出極性。

　　系統(tǒng)空閑時(shí)就會(huì)出現(xiàn)DC電流。幸運(yùn)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(duì)系統(tǒng)空閑而設(shè)計(jì)，其目的是將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)娇刂茊卧目刂茊卧獋鬏數(shù)絺鲃?dòng)器。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(diǎn)，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(dá)±70mA的驅(qū)動(dòng)力才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)。

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)。