向数字隔离演进，隔离耦合技术各有千秋

电子发烧友网报道（文/李宁远）不管是工业场景里应对高压浪涌、大接地电位差、高侧组件通信以及共模瞬态数据，还是汽车应用里需要通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件之间的安全问题，或者再将范围扩大到楼宇自动化、医疗设备、消费电子产品等相对低压场景，这些场景里，设备想要安全可靠的运行，都需要使用隔离技术。
 
隔离耦合技术保护了低电压电路免受高电压故障影响，又能中断接地回路来保持信号完整性，从而实现不同电压域之间的通信，是电子电路的一项关键技术。
 
引入隔离耦合，提高电路可靠性
 
隔离耦合技术的本质是通过不同的耦合技术分隔不同的电气系统，从而防止这些部分产生直流电流和有害的交流电流的同时仍允许信号和电源传输，保障整个电气系统的稳定传输，并提高整个电气系统的可靠性。具体的技术路线可能不尽相同，光耦路线、容耦路线、磁耦路线都能实现隔离，但目的都是一致的、
 
具体来说，隔离耦合技术需要应对的电路难题有三类，其一自然是安全问题，尤其是在高压系统中。其二是为了解决接地回路可能导致的通信子系统之间连接的中断，接地回路的高电压差会导致两个通信系统间数据通信出现错误。其三则是为了降低接地环路的噪声，提高电路抗噪性，接地环路中的噪声既来自外部环境，也来自内部瞬态行为，抑制这些干扰能有效提高电路可靠性。
 
两个非常典型的隔离耦合应用场景，一个是汽车电子，一个是工业自动化。工业场景中的高压电源是必须隔离起来的，否则这些高压浪涌带来的破坏风险太大，轻则损坏现场设备，重则造成人员安全问题。而大量工业设备之间互相关联，涉及很多通信和控制信息的交换，为了确保各系统之间不受干扰稳定可靠地运行，隔离耦合技术在其中应用得非常广泛。
 
汽车电子系统和工业自动化系统类似，尤其是现在汽车电气平台正在向更高的电压等级发展趋势下，隔离的应用变得更加重要。汽车电子系统中有很多敏感电子元器件和快速瞬变高压组件，这些组件需要在隔离的环境中才能保证整车EV系统的可靠性和安全性，对于电机效率、电源效率的提升也能作出贡献。
 
光耦合隔离技术路线
 
光耦合隔离技术路线，一度是隔离技术路线上的主导技术，它以光为媒介传输电信号，有着体积小、寿命长、无触点，具备抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输信号等优点。光耦合隔离可以将输入端隔离，使得输出端与输入端完全没有电气联系，避免了信号间的干扰和相互干扰的问题，保护输入端和输出端的安全性。
 
但随着隔离技术的不断发展，由于光耦使用的绝缘材料电介质强度都偏低，高级别的隔离需求下只能通过在器件内做更多的物理分割来增强其隔离等级，即便如此在绝大部分情况下它能达到的CMTI也小于容耦和磁耦，所以很多需要增强型隔离的场景不再考虑光耦。
 
但这也绝不是说光耦逐渐在失去隔离市场，作为技术成熟度很高的隔离手段，光耦有着目前还无法取代的两大优势。其一是厚绝缘层的耐压优势，虽然CMTI无法做到很高，但是耐压优势明显，在需要高耐压的隔离应用里光耦的地位很稳定。另一个则是高数据速率，因为以光为媒介传输电信号。所以在这一点上光耦的优势也一直保持得很好，如果设计中可以再牺牲一部分CMTI和功耗，光耦还能将数据速率做得更高，这就看应用场景的取舍了。
 
电容耦合隔离技术路线
 
另一条技术路线，是电容耦合隔离技术。电容这类元器件，大家都非常熟悉，在任何电路中都有着不少应用。电容天生就能阻断直流信号，因此电容隔离技术基于穿过电介质的交流信号传输可以使用更高阶调制等方案。因此在数字隔离器兴起后，很多厂商都通过该技术路线开辟出了一条隔离路线，如TI、Silicon Labs和纳芯微等，这些厂商都在容耦路线上开发出了独特的隔离方案。
 
电容耦合隔离技术能实现高阶调制，有着寿命长、功耗低优点。而且由于容耦采用片上电容原理进行信号的隔离传输，所以其传输速率也是很高的，延迟也能做到很低。而且利用电容的频信号调制解调其抗EMI性能也很不错。
 
除此之外，作为几种技术路线中内部绝缘厚度最小的技术，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亚胺的磁耦厚度小了接近10µm，这既是优点也是缺点。缺点就在于，绝缘厚度的限制，可能给容耦带来浪涌保护能力会比较有限的问题，在高压系统里这一点会更明显。当然，目前也有很多对策来尽可能降低容耦隔离的缺陷，比如通过多层电容和多层钝化方法来提高容耦在高压浪涌上的可靠性。
 
这条技术路线上国内厂商纳芯微非常具有代表性，其Adaptive OOK的信号调制技术，在EMI辐射，误码率上性能很突出，同时还能有效提高隔离器件抗共模噪声（CMTI）的能力，在全球市场竞争中非常有竞争力。
 
磁耦合隔离技术路线
 
数字隔离技术另一大方向，磁耦合隔离，也是数字隔离经常采用的一个方案。磁耦通过磁场进行能量传递将信号进行隔离传输，利用变压器原理，在另一个线圈生成感应电流，形成隔离前端的电流变化通过线圈引起隔离另一侧的电流变化。
 
磁耦合隔离技术最明显的优势是能够改善传输延迟和延迟偏差，这是其他隔离技术没办法实现的。在高频DC/DC电源转换中，几乎都会使用这种方案来发送高频信号并实现隔离，既能传输数百毫瓦的功率，还无需次级侧偏置电源。
 
但其缺点在于，磁耦中的变压器本身就是辐射源，在EMI干扰上不可避免地会更严重一些。而且由于其能实现的功能，成本也相对较高。
 
这条路线上最著名的莫过于ADI的 iCoupler技术，ADI利用iCoupler技术实现了很多难以实行隔离的设计。
 
小结
 
随着工业和汽车应用的兴起以及宽带隙半导体的普及，数字隔离技术可以发挥的空间越来越大。以容耦和磁耦为代表的隔离技术，也在隔离技术的竞争中占据更多席位。当然，在低成本的应用中，光耦仍旧是性价比很高的选择。