为了安全起见，平衡隔离器的主要元件

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。它们消耗高功率，并将数据速率限制在 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。它们由前面提到的元素定义。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，例如聚酰亚胺（PI）和二氧化硅（SiO），它可以作为薄膜纺丝。2).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。

安全标准通常规定一分钟的耐压额定值（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	14-26微米	7-15微米

 

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。二氧化硅2基于隔离器的浪涌保护较弱，无法在医疗和其他应用中使用。

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。二氧化硅2厚度，因此隔离能力有限;与厚SiO相关的应力2例如，大约 15 μm 的层数可能会导致晶圆在加工过程中破裂或在隔离器使用寿命期间分层。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（1 ns），因此平均电流很低。

图1.（a） 具有厚聚酰亚胺绝缘层的变压器，其中电流脉冲产生磁场，在次级线圈上感应电流;（b） 薄碳化硅电容器2绝缘使用低电流电场耦合跨越隔离栅。

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）。与电容耦合对板之间距离的依赖性相比，磁耦合对变压器线圈之间的距离也不太敏感。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，与使用SiO的电容器相比，使用聚酰亚胺的变压器可以实现高水平的隔离2.

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。

除了整体性能之外，使用变压器还有另一个好处：它们允许集成隔离电源。ADI公司的isoPower技术将隔离式DC-DC转换器与数据隔离相结合，以创建完整的隔离解决方案。毕竟，变压器是隔离式DC-DC转换器的关键元件。基于电容或LED的隔离器无法实现这种解决方案。®

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。这通常被称为“开关”方案。该方案的好处是可以更快地跨越隔离栅传输数据;但是，抖动有时可能是一个问题。此外，开关方法比基于脉冲的方法消耗更多的功率，因为逻辑高信号持续消耗功率。使用基于脉冲的方法，功率可以降低到低至1 μW的水平，这是其他方法无法实现的。

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，使一些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。为了实现最可靠的隔离，聚酰亚胺厚度可能会增加到超出电容器的合理范围。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。

虽然每个设计人员都会选择具有最适合其应用的适当性能平衡的隔离器，但有三个参数往往很突出：时序、功耗，当然还有隔离。要评估不同的技术，请考虑以下图表，该图表使用基于时序除以隔离能力的品质因数，并绘制出与功耗的关系图。在这种情况下，我们选择使用浪涌耐受阈值（具有2 μs上升时间和50 μs下降时间的高压脉冲，用于确定增强绝缘的适用性）来测量隔离能力。功耗是 1 Mbps 数据速率下每通道的最大功率（以 mW 为单位）;我们选择1 Mbps作为代表速率，因为大多数功耗敏感型应用都以适中的数据速率运行。对于时序，我们研究了信号穿过隔离栅的总时序延迟。因此，这不仅包括传播延迟，还包括抖动和输出上升和下降时间。

图3.不同隔离器特性的组合导致不同的品质因数位置。有一个方面仍然很清楚：光耦合器落后于数字隔离器。

以这种方式绘制时，可以看到数字隔离器占据的性能边界的存在。光耦合器的位置远远落后于前沿，虽然最近对光耦合器的改进使它们更接近性能前沿，但它们仍然远远落后于数字隔离器。人们还可以看到，不同的技术在前沿也占据了不同的位置，基于变压器/聚酰亚胺的数字隔离器采用脉冲编码方法，显示出低得多的功率效率，而开关键控方法显示出更好的时序性能。

隐藏在这张图表中的是不同数字隔离器供应商如何沿着这一前沿从一代到下一代的微妙细节。ADI的第二代方法在一种情况下降低了功耗，在另一种情况下，降低了总时序延迟。这些更改是在不更改隔离功能的情况下进行的。Cap1 供应商仅沿边界向一个方向移动，并通过提高隔离能力来实现;但是，这样做会增加总时序延迟。这似乎是由于SiO的增加2厚度以实现更好的隔离，减少了传输数据所需的耦合;这反过来又会降低性能。

总结

ADI公司在开发数字隔离技术时，考虑了数字隔离四个要素的各种差异，重点关注绝缘材料、隔离元件以及跨越隔离栅传输数据的方法。他们确定，Core iCoupler技术将基于聚酰亚胺绝缘和芯片级变压器，因为这种组合不仅提供了最大的灵活性，不仅可以集成其他功能，例如隔离电源，还可以允许使用不同的方法来传输数据。我们采用近14年的基于脉冲的方法继续提供出色的功率效率和定时性能，但仍有可能采用其他方法，并具有自己的优势。这一切都可以在不影响隔离能力的情况下完成，隔离能力是设计人员使用隔离器的主要原因。

审核编辑：郭婷