隔离发展趋势下的国际标杆数字隔离器

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描述

数字隔离器是一种在电气隔离器状态下实现数字信号传递的器件,充当提供电流隔离数字信号路径的基本功能。电子系统中,数字信号和模拟信号进行传递时,数字隔离器使其且具有很高的电阻隔离特性,以实现电子系统与用户之间的隔离。
 
之所以引入隔离,是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径,从而避免安全风险。然而,不可避免的,隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。目前数字隔离器主要有光耦型隔离器、磁耦型隔离器、容耦型隔离器三种类型。
 
此前最常见的光耦数字隔离器虽然能满足常见隔离要求,但寿命短功耗大,目前被逐步取代。容耦采用片上电容原理实现信号的隔离传输,寿命长、功耗低、传输速率高。磁耦型在容耦的基础上能额外传递能量,可以极大拓展隔离器的应用领域。
 

TI数字隔离器

 
TI的基础型数字隔离器与增强型数字隔离器在高工作电压、低辐射、低功耗以及高效率上很有优势。隔离材料上TI系列一般使用专有二氧化硅 (SiO2) 绝缘栅来实现这些性能。除了基本的性能要求,TI的数字隔离器在小尺寸或者成本敏感应用上也都能满足。
 
隔离技术
(ISO67xx系列,TI)
 
ISO67xx系列是容耦型数字隔离器,在提供出色的信号隔离性能同时主打低设计成本应用。该系列的数字隔离器可提供多种通道选项,有助于在各种应用配置(SPI、UART、CAN、RS-485、GPIO 和 I2C 信号)中提高对关键电路的保护能力。
 
从该系列下的ISO6741具体产品来看,ISO6741作为四通道数字隔离器,通过低功耗运行和电平转换提高了设计灵活性,并支持 1.71V 至 5.5V 的宽电源电压范围。8kV(接触)ESD 性能可防止维护期间对隔离器造成损坏。在数据速率上高达50 Mbps,同时高达 1500V 的工作电压和 75kV/µs 的典型共模瞬态抗扰度。从上述指标水平来看,可以说ISO6741提供了牢不可破的隔离屏障。
 
如果说ISO67xx系列为低成本应用提供了绝佳的选择的话,那ISO70xx 系列则提供了业内顶尖的超低功耗。
 
ISO67xx全系列产品能以超低功率运行,每通道电流消耗低至 4.2μA,总电流在 10kbps 时消耗小于 20μA,并且功率可扩展至 2Mbps。在低功耗的同时,ISO67xx支持 3kVrms 的隔离电压、典型值为 100kV/μs 的共模瞬态抗扰度,这样的隔离强度足够可靠。
 
隔离技术
(ISO6741,TI)
 

ADI数字隔离器

 
ADI的数字隔离器是磁耦型数字隔离器,利用iCoupler技术来实现无限制的设计。整体来看ADI的数字隔离器在鲁棒性以及多通道灵活性(多达6通道)上拥有很大优势。
 
隔离技术
(ADuM141ES,ADI)
 
ADuM141ES,应用于航空航天的150 MBPS 四通道数字隔离器,采用了ADI专利iCoupler®技术。这些隔离元件集高速、互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和整体式空芯变压器技术于一身,能够提供更出色的性能特点。
 
从具体数值来看,ADuM141ES在 5 V 运行时,最大传播延迟为 13.5 ns,脉宽失真低于 3 ns,共模瞬变抗扰度很高,能做到大于100 kV/μs。同时ADuM141ES 数据通道是相互独立的,并可以承受 400 V rms 的额定电压。此器件在 1.8 V - 5 V 之间的电源电压下工作并兼容更低的电压系统,支持跨隔离势垒的电压转换功能。
 
低功耗也在电流值上反应了出来,150 MBPS 时1侧电源电流为17 mA,2侧电源电流为17.5 mA,保证数据传输速率同时降低了功耗。
 
隔离技术
(ADuM260N,ADI)
 
四通道的ADuM141ES性能已经足够强大,再来看看集成故障安全和0个反向通道的鲁棒5.0 kVrms六通道数字隔离器。
 
共模瞬变抗扰度100 kV/μs,5V时13 ns传播延迟,1.8V时15 ns的低延迟,最大150 Mbps的数据速率,VIORM峰值849 V的安全认证,1分钟5000 V rms的UL认证,125℃的高温工作环境,16引脚宽体SOIC_IC封装。高工作电压、低辐射、低功耗、高效率在上述数据中体现得淋漓尽致。
 

东芝数字隔离器

 
东芝的数字隔离器主要还是应用光耦,所以在性能上会弱于上面提到的TI,ADI提供的高性能数字隔离器。
 
东芝TLP350是较新的一款数字隔离器产品,用于各种逆变器(如工业逆变器、UPS和光伏发电用功率调节器)的功率元件栅极驱动IC。该器件主要实在可靠性上进行了提升,并且成本较低。
 
隔离技术
(TLP350,东芝)
 
TLP350可以通过抑制异常关断期间发生的浪涌电压上升,防止功率器件击穿。当供电电压异常和检测到过流时,会反馈故障信号。同时过流检测的软关断功能使功率器件关断更柔和。这些提升都着重于可靠性和稳定性。
 
因为单纯从技术参数着手,光耦相比其他类型有着天然劣势。这款产品的额定电流为2.5A,这无疑是较大的功耗负担。共模瞬变抑制为25 kV/µs,在光耦型产品中其实已经做的相当不错了。
 

Broadcom 数字隔离器

 
Broadcom 一直是一家光电隔离器的领先供应商。目前提供高度可靠性军用密封式光电耦合器、用于工业应用的电流隔离光电耦合器,以及专为满足汽车级应用的绝缘和可靠性要求设计的光电耦合器。
 
虽然是光耦专家,但旗下ACML-74xx 系列 CMPS 数字隔离器通过厚绝缘采用了磁力耦合,具有高速度和高绝缘性能,而且在高数据速率下低功耗。HCPL-90xx/-09xx 系列 CMOS 数字隔离器则集成了巨磁电阻 (GMR) 技术,具有高速的性能和优异的瞬态抗干扰度规范。
 
隔离技术
(ACML-7400,Broadcom)
 
ACML-74x0系列 CMOS 数字隔离器耗费少量电量,甚至在高数据率时也是如此,还能通过紧凑表面贴装实现瞬态抑制性能。这些 CMOS 数字隔离器符合 36ns 的最大传播延迟和 3ns 的最大脉宽失真。它们也可以以 100 MBd 数据率运行。
 
在上图中的四通道 ACML-7400 CMOS 数字隔离器中,配置单向装置,一个方向有四个通道,通常每个通道都在15mA的低功耗范围内。而工作电压承受能力极高,最大可承受800V rms 。共模瞬态抑制能力也比较优秀,最小为25 kV/µs,一般在50kV/µs。
 

小结

 
数字隔离技术是隔离发展的必然趋势,而国内数字隔离器行业仍然是一个未完全开发的市场。下期将聚焦国内数字隔离器厂商,看他们如何帮助国内市场摆开进口依赖。
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