数字隔离器剖析

想法简介

与光耦合器相比，数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有显著、引人注目的优势。

多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员在实施安全隔离时选择有限：唯一合理的选择是光耦合器。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、能效和集成度方面具有优势。了解数字隔离器三个关键元件的性质和相互依赖性对于选择合适的数字隔离器非常重要。这些元素是绝缘材料，其结构和数据传输方法。

设计人员采用隔离是因为安全法规或降低接地环路的噪声等。电气隔离可确保数据传输，而无需可能造成安全隐患的电气连接或泄漏路径。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等限制。数字隔离器的目标是满足安全要求，同时最大限度地减少造成的处罚。

光耦合器是一种传统的隔离器，其损失最大，功耗高，数据速率限制在1 Mbps以下。可提供更高功率、更高速的光耦合器，但成本损失更高。

数字隔离器于10多年前推出，旨在减少与光耦合器相关的损耗。它们使用基于CMOS的电路，在显著提高数据速率的同时，可显著节省成本和功耗。它们由上述元素定义。绝缘材料决定了固有的隔离能力，选择绝缘材料以确保符合安全标准。选择结构和数据传输方法来克服上述处罚。所有这三个要素必须协同工作以平衡设计目标，但一个不能妥协和“平衡”的目标是满足安全法规的能力。

绝缘材料

数字隔离器使用代工厂CMOS工艺，仅限于代工厂常用的材料。非标准材料使生产复杂化，导致可制造性差和成本增加。常见的绝缘材料包括聚合物，如聚酰亚胺（PI）和二氧化硅（SiO2），它可以纺成薄膜。两者都具有众所周知的绝缘性能，并且已在标准半导体加工中使用多年。聚合物一直是许多光耦合器的基础，使它们作为高压绝缘体具有悠久的历史。

安全标准通常规定 1 分钟耐压额定值（通常为 2.5 kV rms 至 5 kV rms）和工作电压（通常为 125 V rms 至 400 V rms）。一些标准还规定持续时间更短，电压更高（例如，10 kV峰值，持续50 μs），作为增强绝缘认证的一部分。聚合物/聚酰亚胺基隔离器具有最佳的隔离性能，如表1所示。

 

	基于聚合物的光耦合器	基于聚酰亚胺的数字隔离器	二氧化硅2基于数字隔离器
耐压（1分钟）	7.5 kV 有效值	5 kV 有效值	5 kV 有效值
400 V rms 工作电压下的使用寿命	25年	50年	25年
用于增强绝缘的浪涌水平	20 kV	12 kV	7 kV
通过绝缘的距离（绝缘厚度）	400微米	14 μm 至 26 μm	7 μm 至 15 μm

 

基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器类似，在典型工作电压下超过使用寿命。基于 SiO2 的隔离器提供较弱的浪涌保护，妨碍了在医疗和其他应用中的使用。

每部薄膜的固有应力也不同。聚酰亚胺的应力低于 SiO2，并且可以根据需要增加厚度。SiO2厚度和隔离能力受到限制;超过 15 μm 的应力可能导致晶圆在加工过程中破裂或在隔离器的使用寿命内分层。基于聚酰亚胺的数字隔离器使用厚达26 μm的隔离层。

隔离器结构

与使用LED光的光耦合器相比，数字隔离器使用变压器或电容器在隔离栅上以磁性或电容方式耦合数据。

如图1所示，变压器通过线圈脉冲电流，以产生一个小的局部磁场，在另一个线圈中感应电流。电流脉冲很短，为1 ns，因此平均电流很低。

图1.具有厚聚酰亚胺绝缘的变压器，其中电流脉冲产生磁场以在次级线圈上感应电流（左）;薄碳化硅电容器2使用低电流电场耦合隔离栅的绝缘（右）

变压器还具有差分特性，具有出色的共模瞬态抗扰度，高达100 kV/μs（光耦合器通常约为15 kV/μs）。与电容耦合对板间距离的依赖性相比，磁耦合对变压器线圈之间距离的依赖性也较弱。这允许变压器线圈之间的绝缘更厚，从而提高隔离能力。结合低应力聚酰亚胺薄膜，使用聚酰亚胺的变压器与使用SiO2的电容器可以实现高水平的隔离。

电容也是单端的，对共模瞬变具有更高的敏感性。差分电容对可以补偿，但这会增加尺寸和成本。

电容器的一个优点是它们使用低电流来产生耦合电场。在高于 25 Mbps 的高数据速率下，这一点变得很明显。

数据传输方式

光耦合器利用来自LED的光跨越隔离栅传输数据：LED在逻辑高电平时导通，在逻辑低电平时熄灭。当LED亮起时，光耦合器会消耗功率，这使得光耦合器在功耗方面是一个糟糕的选择。大多数光耦合器将输入和/或输出端的信号调理留给设计人员，这并不总是最容易实现的。

数字隔离器使用更先进的电路对数据进行编码和解码，从而实现更快速的数据传输，并能够处理复杂的双向接口，如USB和I。2C.

一种方法将上升沿和下降沿编码为驱动变压器的双脉冲或单脉冲（图 2）。这些脉冲被解码回次级侧的上升沿/下降沿。与光耦合器相比，功耗降低了10×至100×因为不像光耦合器那样连续供电。可以包括刷新电路以定期更新直流电平。

图2.一种传输数据的方法将边沿编码为单脉冲或双脉冲。

另一种方法使用RF调制信号的方式与光耦合器使用光的方式大致相同;逻辑高信号导致连续的射频传输。这比脉冲方法消耗更多的功率，因为逻辑高信号会持续消耗功率。

差分技术也可用于共模抑制;但是，这些最好与变压器等差分元件一起使用。

选择正确的组合

与光耦合器相比，数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有显著、引人注目的优势。在数字隔离器类别中，绝缘材料、结构和数据传输方法的不同组合区分了不同的产品，使某些产品或多或少适合特定应用。如上所述，聚合物基材料提供最强大的隔离能力;这种材料几乎可用于所有应用，但最严格的应用，如医疗保健和重工业设备，将获得最大的优势。为了实现最坚固的隔离，聚酰亚胺厚度可能会增加到超过电容器的合理厚度;因此，基于电容的隔离可能最适合于不需要安全隔离的功能隔离。在这些情况下，基于变压器的隔离可能最有意义，特别是当与充分利用变压器差分特性的差分数据传输方法结合使用时。

审核编辑：郭婷