数字隔离器：这些无处不在的安全守护者，你该认识一下！

 

在一个电子系统中，与计算处理、信号链、电源等核心元器件相比，隔离器的位置似乎并不显眼，但是其“存在感”一点也不弱，因为训练有素的工程师都知道，在确保电子系统安全性和可靠性方面，这些“小器件”的作用无可替代。

 

 

电子电路的设计中之所以要用到隔离器，是因为在很多系统中同时存在高压和低压域，而高压系统中往往更容易出现静电放电、射频、开关脉冲和电源扰动，引起电压浪涌，对低压域的敏感电路和元器件造成影响或损坏，而且高电压也会对人体造成危害。因此就需要通过隔离技术在高、低压域之间构建可靠隔离栅，隔绝安全、噪声等风险，同时又要让需要在高、低压域之间传递的电信号能够穿越隔离栅，进行可靠地传输，实现完整的系统功能。

总结起来，在电子系统中，小小的隔离器所起到的关键作用就是：

 

① 防止外部噪声和干扰对系统的影响，从而保证系统可靠和稳定地运行。

② 保护设备和人员免受高电压、高电流等危险因素的伤害，确保安全。

③ 减少信号传输过程中可能出现的干扰和失真，从而提高信号传输质量和准确性。

 

 

数字隔离器的兴起

 

提到隔离器，人们首先会想到光耦合器（简称“光耦”），这是一种基于光电技术的混合器件：其通过透明介质进行物理隔离（电流隔离），同时在输入侧由一个发光LED将电信号转换为光信号，并由输出侧的光电探测器感应光信号并生成相应的电信号，由此实现可靠隔离的信号传输。

与电磁继电器等上一代解决方案相比，光耦的外形大大缩小，且能够提供可靠的高压隔离，同时具有出色的抗干扰性、很宽的工作温度范围，以及与多种数字和模拟电路兼容的特性，因此在相当长的时间内，是众多隔离应用的不二之选。

不过，光耦并非是一种完美无缺的技术，其存在功耗大、速率低的弱点，而且由于光电组件的性能会随时间发生衰减，因此光耦的使用寿命也较短，这就限制了其在低功耗、高速率、高可靠性等更多场合的应用。

为了弥补光耦产品在性能上的这些“缺憾”，2000年之后数字隔离器应运而生了。数字隔离器工作原理和光耦类似，但是采用与光耦“电—光—电”转换调制方式不同的硅基技术，这样就避免了光电元件易衰减的短板，还可实现更好的开关特性、更快的传输速率、更低的功耗、更紧凑的外形等优势。值得一提的是，数字隔离器大都采用的是CMOS工艺，因此在提高集成度、优化成本等方面潜力更大，因此一经出现，就受到了广泛关注。

根据工作原理，常见的数字隔离器可分为电磁耦合隔离器（磁耦）和电容耦合隔离器（容耦）两类。

其中，磁耦隔离器是一种利用磁学原理进行电气隔离的器件，利用“电-磁-电”转换原理，通过线圈中的磁场来传递信号，具有电隔离强、反向电压耐受能力高、串扰小、操作温度范围广等优点，常用于高精度模拟信号隔离、电源隔离、MOS隔离等应用。

容耦隔离器则是在器件中基于高电介质材料构建一个“微型电容”，利用电容“通交流、阻直流”的特性实现信号的隔离传递。与磁耦隔离技术相比，容耦隔离器的制造工艺相对简单，与标准的CMOS晶圆工艺兼容性好，具有明显的成本优势，而且产品迭代的速度快，目前在耐压、抗浪涌能力等方面都有长足的进步，应用的场景也更为丰富，因此也是很多半导体厂商淘金数字隔离领域的主赛道。

 

	光电耦合	电容耦合	电磁耦合
温度特性	温漂大	温漂小	温漂小
功耗	高	低	低
速率	25Mbps	150Mbps	150Mbps
寿命	低	高	高
传递能量	弱	弱	强

表1：不同隔离器的性能比较

 

 

数字隔离器发展趋势

 

正是由于数字隔离器具有上述的优势特性，市场版图一直在不断扩张。一方面，数字隔离器一直未改“替代光耦”的初心，从各方面对标这个隔离市场原有的霸主，向传统的应用领域渗透；另一方面，数字隔离器也利用自身的优势，不断拓展新的应用场景。如果仔细观察，我们能够看出数字隔离器的发展有几条主要脉络。

首先，通过在设计和工艺方面的提升，数字隔离器在不断强化自身的优势，同时也在补齐性能上的短板，比如提升耐压能力、改善抗噪声表现、降低功耗、简化系统架构、减小外形等等，这使得其在与光耦PK时能够有更足的底气。

其次，提升产品的可靠性和耐用性，也是数字隔离器一个重要的进化方向。这是因为隔离产品属于安规产品，在工业、新能源、汽车等这些典型的高压应用场景中，都有相当高的标准或规范要求，因此数字隔离器想要在这些市场中立足，也必须经过相关的安规认证。

此外，利用与CMOS工艺兼容、易于集成功能的特点，数字隔离器也在超越“纯”数字隔离器单一的产品形态，围绕着各种目标应用不断演化出复合功能的隔离产品，如隔离I/O、隔离收发器、隔离驱动器、隔离电源等等，为更多的产品和应用添加隔离功能，让基于隔离技术的安全守护无处不在。

当然，上述这种数字隔离产品形态的扩展，要求技术供应商具备更全面的技术实力和更深厚的专业积淀。比如隔离驱动产品的设计，就需要开发者具备与驱动相关的功率电子知识并熟悉主流功率开关管（包括SiC等宽禁带半导体器件）的特性，以便其产品能够与之相适配；而在隔离I/O接口产品的设计中，则需要开发者有出色的ESD、抗干扰设计等方面的技能。

因此，如果你熟悉数字隔离器的市场格局，就会发现很多有实力的数字隔离器供应商，都是产品线非常广泛的模拟或混合信号大厂，这也是其能够提供品类丰富、性能出众的数字隔离产品的保证。

Skyworks Solutions, Inc.（以下简称Skyworks）就是这样一家数字隔离产品领域的实力制造商，基于在隔离和高压领域深厚的专业知识和经验积累，Skyworks能够为广泛的应用提供数字隔离器、隔离栅驱动器、隔离模拟放大器、隔离工业I/O等丰富的产品组合，在实现高性能、高可靠性的同时，帮助用户实现更大的设计灵活性和更优的成本。

 

图1：Skyworks提供的数字隔离产品

（图源：Skyworks）

 

 

Skyworks的数字隔离精品

 

 

Si86Sx数字隔离器

 

Si86Sx数字隔离器是Skyworks标准数字隔离器产品中的代表作，与传统的隔离解决方案相比，Si86Sx数字隔离器在数据速率、传输延迟、功耗、尺寸、可靠性和外部BOM等方面优势明显。

具体来讲，Si86Sx数字隔离器具有高达6.0kV_RMS的隔离额定值，支持高达150Mbps的数据速率，可实现10ns的典型传播延迟。该器件提供睡眠模式，可在启用时关闭有源电路，从而节省功耗；同时Si86Sx还包含经过优化的低功耗模式操作选项，可进一步节省功耗。

Si86Sx数字隔离器产品组合齐全，包括支持SPI的产品以及通过方向控制引脚支持QSPI的选项；提供紧凑型的NB SOIC-8、NB SOIC-16、QSOP-16、SSO-8和WB SOIC-16封装。Si86Sx系列中的所有产品均通过UL、CSA、VDE和CQC安全认证，还可提供汽车级的解决方案。

 

图2：Si86Sx数字隔离器

（图源：Skyworks）

 

 

Si858x集成隔离式RS-485收发器

 

隔离式收发器，顾名思义就是将数字隔离器和收发器的功能集成到单个紧凑型器件中，这也是数字隔离产品中一个重要的类别。

Skyworks的Si858x集成隔离式RS-485收发器，将坚固耐用、完全兼容的RS-485收发器与Skyworks专有的CMOS隔离技术相结合，非常适合于复杂工业环境中基于RS-485的现场总线系统（如ProfiBus或ModBus）隔离接口应用。要知道，这类总线系统很容易受到外部环境电气噪声瞬变的影响，引入数字隔离技术，可以有效防止此类瞬变和噪声，实现更佳的信号完整性。

Si858x隔离式收发器采用专有的硅隔离技术，支持高达5kV_RMS（1分钟）的隔离电压，符合UL 1577标准，可实现高CMTI（>60kV/μs）、低传播延迟和偏移、更优的温度老化等特性，以及更紧凑的设计。

Si858x可在3.3V或5.0V额定电源下工作，并具有高达±30V的强大总线容错能力，这是其能够在嘈杂环境中防止有害瞬变的关键特性。其总线引脚还具有高达15kV HBM ESD的保护。这些器件集成了具有1Mbps数据速率能力的压摆率控制驱动器，用于降低EMI，或在不实施压摆率控制的情况下提供高达10Mbps的高数据速率。

该系列隔离式RS-485收发器还提供安全和保护功能（例如接收器故障安全和热保护），-40℃至+125℃的宽工作温度范围，是工厂车间、过程控制等环境敏感型应用的理想选择。

 

图3：Si858x集成隔离式RS-485收发器

（图源：Skyworks）

 

 

Si834x隔离智能开关

 

Si834x隔离智能开关是Skyworks隔离式工业I/O产品组合中的一款经典产品，非常适合用于驱动电阻和电感负载，例如工业控制系统中（包括PLC、I/O模块、继电器驱动器和伺服电机控制器等）的电磁阀、继电器和灯等。

Si834x基于CMOS隔离技术进行安全的电隔离，从而实现更高的可靠性和性能，并可以达到超过150kV/μs的高共模瞬态抗扰度（CMTI）。

Si834x隔离开关支持高侧和低侧开关选项，导通电阻仅145mΩ，可提供符合IEC 61131-2标准的高达700mA的连续电流，具有全面的保护和诊断报告功能，以及用于工业自动化系统的先进配置、监控和控制。其开关逻辑接口可以像四个低功耗CMOS数字输入一样简单，也可以像全串行外设接口（SPI）一样丰富和灵活，可通过4个MCU引脚控制多达128个通道。

与其他的竞品相比，Si834x隔离开关具有更好的电感负载驱动性能和更安全的过载保护。凭借创新的快速开关阻抗和钳位电压控制，Si834x可以实现更高的效率、更佳的可靠性，且无需复杂的散热系统。在进入故障状态时，Si834x隔离开关还可以在减少通道性能条件下继续维持运行，而无需停工，这也是其一个差异化的优势所在。

 

图4：Si834x隔离智能开关

（图源：Skyworks）

 

值得一提的是，除了Si834x这种集成式的隔离智能开关，Skyworks还提供单一功能的智能开关产品，如Si83004和Si83014，它们包含4个具有低导通电阻的高侧或低侧开关，以驱动PLC等工业控制系统中常见的电磁阀、继电器和灯等电阻及电感负载。

这些智能开关的单通道类似于继电器驱动器，具有针对常见故障的保护机制，同时可以与多通道数字隔离器或光耦合器阵列配对使用，形成一个完整的电气隔离I/O解决方案。与完全集成的Si834x隔离式智能开关相比，Si83004和Si83014等智能开关可以为开发者提供更多的技术选项，实现更大的设计灵活性。

 

图5：Si83004和Si83014智能开关

（图源：Skyworks）

 

 

本文小结

 

在隔离技术领域，虽然光耦还在扮演着重要的角色，但是快速兴起的数字隔离器正在对传统的解决方案发起有力的冲击。在这个竞争过程中，性能上的不断精进，以及针对目标应用的产品线扩展，都是致胜的关键。而所有努力最终的目的，都是要让基于隔离技术的安全防护无处不在，为电子系统的可靠工作和用户的安全保驾护航。

 

 相关技术资源

   

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