高速单通道光模拟器ISOM871x：性能卓越的数字信号隔离解决方案

在电子设计领域，数字信号的隔离处理至关重要，它不仅能保护电路免受干扰，还能提高系统的可靠性和稳定性。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）推出的ISOM871x系列高速单通道光模拟器，看看它是如何在数字信号隔离方面展现出卓越性能的。

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一、ISOM871x概述

ISOM871x系列包括ISOM8710和ISOM8711两款产品，它们是单通道光模拟器，能够为高达25Mbps的数据速率的数字信号提供隔离功能。该系列产品与传统光耦合器引脚兼容，可以直接替换，这意味着在不进行PCB重新设计的情况下，就能对现有设计进行升级，大大提高了设计的灵活性和效率。

与标准光耦合器使用LED作为输入级不同，ISOM871x采用了模拟二极管作为输入级，输入级通过TI专有的基于二氧化硅（SiO₂）的隔离屏障与驱动级隔离，这种隔离屏障不仅提供了强大的隔离性能，还具有一流的共模瞬态抗扰度。

二、产品特性

2.1 引脚兼容与输出选项

ISOM871x可以直接替代许多传统光耦合器，其输出有两种选项：ISOM8710为CMOS输出，ISOM8711为开集电极输出，能满足不同应用场景的需求。

2.2 宽电源范围与高速数据传输

其电源电压（VCC）范围为2.7V至5.5V，具有较宽的适应性。数据传输速率高达25Mbps，最大传播延迟为52ns，最大脉冲宽度失真为17ns，最大传播延迟偏差为15ns，能够保证高速、稳定的数据传输。

2.3 强大的隔离性能

隔离等级高达3750VRMS，工作电压为500VRMS，浪涌能力高达10kV，最小瞬态抗扰度为±125kV/µs，能够有效隔离不同电路之间的电气干扰，保护设备安全。

2.4 宽温度范围与小封装

工作温度范围为 -40°C至 +125°C，适用于各种恶劣的工业环境。采用小型SOIC - 5封装，节省了电路板空间。

2.5 安全认证

通过了多项安全相关认证，如UL 1577认可（3750VRMS隔离）、DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）符合VDE标准、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1以及CQC GB 4943.1等，为产品的安全性提供了可靠保障。

三、应用领域

ISOM871x的高性能和可靠性使其在多个领域得到广泛应用，包括但不限于：

• 电源供应：确保电源电路与其他电路之间的隔离，提高电源的稳定性和安全性。
• 电网与电表：在电网监测和电表计量中，有效隔离信号，防止干扰。
• 电机驱动：保护电机驱动电路免受外界干扰，提高电机控制的精度。
• 工厂自动化与控制：实现工业控制系统中不同模块之间的信号隔离，保障系统的稳定运行。
• 楼宇自动化：在楼宇自动化系统中，隔离不同设备之间的信号，提高系统的可靠性。
• 照明与家电：为照明和家电设备提供可靠的信号隔离，延长设备使用寿命。

四、详细设计与参数

4.1 引脚配置与功能

ISOM8710和ISOM8711均采用5引脚SOIC封装，各引脚功能如下：	引脚名称	引脚编号	类型	描述
AN	1	I	二极管模拟器的阳极连接
CAT	2	O	二极管模拟器的阴极连接
GND	3	GND	VCC和OUT的接地参考
OUT	4	O	数字数据输出。对于ISOM8711，需使用电阻RL将该引脚拉至VCC
VCC	5	P	输出电源

4.2 规格参数

4.2.1 绝对最大额定值

在工作结温范围内，各参数的绝对最大额定值如下：

• 电源电压（VCC）： -0.3V至6V
• 输入反向电压（VR）：5V
• 输出集电极电压（ISOM8711）： -0.3V至VCC + 0.5V
• 输入正向电流（IF）：25mA
• 峰值瞬态输入电流（IFT）：1A
• 输出电流（ISOM8710）： -15mA至15mA
• 输出集电极电流（ISOM8711）：50mA
• 输入功率耗散（PDI）：75mW
• 输出集电极功率耗散（ISOM8711）：85mW
• 工作结温（TJ）：150°C
• 存储温度（Tstg）： -65°C至150°C

需要注意的是，超出绝对最大额定值可能会导致设备永久性损坏。

4.2.2 ESD额定值

• 人体模型（HBM）：±2000V
• 带电设备模型（CDM）：±1500V

4.2.3 推荐工作条件

• 电源电压（VCC）：2.7V至5.5V
• 输入关态电压（VF(OFF)）：0V至0.8V
• 输入开态正向电流（IF(ON)）：2mA至20mA
• 输入关态正向电流（IF(OFF)）：0mA至250µA
• 高态输出电流（IOH）： -4mA
• 低态输出电流（ISOM8710）：4mA
• 低态开集电极灌电流（ISOM8711）：13mA
• 数据速率：根据输入正向电流不同而有所变化，在不同电流范围内可实现0至25Mbps的数据速率
• 结温（TJ）： -40°C至130°C
• 环境温度（TA）： -40°C至125°C

4.2.4 热信息

以DFF（SOIC）5引脚封装为例，其热参数如下：	热参数	描述	值	单位
RθJA	结到环境的热阻	215.9	°C/W
RθJC(top)	结到外壳（顶部）的热阻	124.7	°C/W
RθJB	结到电路板的热阻	156.9	°C/W
ψJT	结到顶部的表征参数	91.5	°C/W
ψJB	结到电路板的表征参数	154.2	°C/W

4.2.5 功率额定值

在特定测试条件下，最大功耗参数如下：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
PD	IF = 20mA，VCC = 5.5V，TJ = 150°C，CL = 15pF，输入2MHz 50%占空比方波		70	mW
PD1			50	mW
PD2			20	mW

4.2.6 绝缘规格

ISOM871x的绝缘性能出色，各项绝缘参数如下：

• 外部爬电距离（CPG）：大于5mm
• 外部电气间隙（CLR）：大于5mm
• 绝缘距离（DTI）：大于17µm
• 相比漏电起痕指数（CTI）：大于400V
• 材料组：II
• 额定电源电压不同时的过电压类别：根据不同额定电源电压有不同的过电压类别要求
• 最大重复峰值隔离电压（VIORM）：707VPK
• 最大隔离工作电压（VIOWM）：500VRMS（交流），707VDC（直流）
• 最大瞬态隔离电压（VIOTM）：5303VPK
• 最大脉冲电压（VIMP）：7200VPK
• 最大浪涌隔离电压（VIOSM）：10000VPK
• 表观电荷（qpd）：小于等于5pC
• 输入到输出的屏障电容（CIO）：1pF
• 输入到输出的绝缘电阻（RIO）：在不同条件下有不同要求，如VIO = 500V，TA = 25°C时大于10¹²Ω

4.2.7 安全相关认证

通过了VDE、CSA、UL、CQC、TUV等多项安全认证，具体认证信息可参考文档。

4.2.8 安全限制值

为了最小化输入或输出电路故障时对隔离屏障的潜在损坏，规定了安全限制值，如安全输入、输出或电源电流（IS）、安全输入、输出或总功率（PS）以及最大安全温度（TS）等，这些参数会根据不同的测试条件而有所变化。

4.2.9 电气特性 - DC

在推荐工作条件下，各直流电气参数如下：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VF	IF = 6mA	1.3	1.5	1.8	V
ICCH	逻辑高输出电源电流（特定测试电路，IF = 0mA）			2	mA
ICCL	逻辑低输出电源电流（特定测试电路，IF = 6mA）			2	mA
VOH	逻辑高输出电压（ISOM8710，不同测试条件）				V
VOL	逻辑低输出电压（ISOM8710和ISOM8711，不同测试条件）				V
IOH	逻辑高输出电流（ISOM8711，不同测试条件）			100	µA
ITH	输入阈值电流	0.6	1	2	mA
IHYS	输入电流滞后		0.26		mA
IR	输入反向电流（VR = 5V，TA = 25°C）			10	µA
CI	输入电容（f = 1MHz，VF = 0V）		4		pF

4.2.10 开关特性

ISOM8710开关特性

在推荐工作条件下，ISOM8710的开关特性参数如下：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
tr	输出信号上升时间（特定测试电路，CL = 15pF）		10		ns
tf	输出信号下降时间（特定测试电路，CL = 15pF）			10	ns
tPLH	输出低到高转换的传播延迟时间（特定测试电路，IF = 6mA到0mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns）			52	ns
tPHL	输出高到低转换的传播延迟时间（特定测试电路，IF = 0mA到6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns）			52	ns
PWD	脉冲宽度失真（tPHL - tPLH，特定测试电路，IF = 6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns）		4.7	17	ns
tpsk	器件间延迟偏差（IF = 6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns）			15	ns
CMTIL	静态低输出时的共模瞬态抗扰度（特定测试电路，VCM = 1200Vp - p，IF = 6mA，输出 = 低）	±125	±150		kV/µs
CMTIH	静态高输出时的共模瞬态抗扰度（特定测试电路，VCM = 1200Vp - p，IF = 0mA，输出 = 高）	±800	±1000		kV/µs
TIE	时间间隔误差（2¹⁶ - 1 PRBS数据，20Mbps，IF = 6mA）		4.2	12	ns

ISOM8711开关特性

在推荐工作条件下，ISOM8711的开关特性参数如下：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
tr	输出信号上升时间（特定测试电路，RL = 300Ω，CL = 15pF）		15		ns
tf	输出信号下降时间（特定测试电路，RL = 300Ω，CL = 15pF）		15		ns
tPLH	输出低到高转换的传播延迟时间（特定测试电路，IF = 6mA到0mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns，RL = 300Ω）			54	ns
tPHL	输出高到低转换的传播延迟时间（特定测试电路，IF = 0mA到6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns，RL = 300Ω）			54	ns
PWD	脉冲宽度失真（tPHL - tPLH，特定测试电路，IF = 6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns）		4.8	26	ns
tpsk	器件间延迟偏差（IF = 6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns）			15	ns
CMTIL	静态低输出时的共模瞬态抗扰度（特定测试电路，VCM = 1200Vp - p，IF = 6mA，输出 = 低）	±125	±150		kV/µs
CMTIH	静态高输出时的共模瞬态抗扰度（特定测试电路，VCM = 1200Vp - p，IF = 0mA，输出 = 高）	±800	±1000		kV/µs
TIE	时间间隔误差（2¹⁶ - 1 PRBS数据，20Mbps，IF = 6mA）		3.7	12	ns

4.3 典型特性曲线

文档中给出了多个典型特性曲线，如输入阈值电流与环境温度的关系、输出电压与输入正向电流的关系、低电平输出电压与环境温度的关系、输出电源电流与数据速率的关系、传播延迟时间与环境温度的关系、脉冲宽度失真与环境温度和电源电压的关系等，这些曲线有助于工程师更好地了解ISOM871x在不同条件下的性能表现。

五、应用与实现

5.1 应用信息

ISOM871x使用开关键控调制来跨隔离屏障传输数据，由于隔离屏障将设备的两侧分开，每侧可以在推荐工作条件内独立供电和提供电流。它还可以用作电流 - 电压转换器或电压电平转换器，适用于隔离单端数字信号线。通常，像ISOM871x这样的隔离设备会放置在数据控制器（如MCU或FPGA）与传感器、数据转换器或线路收发器之间。

5.2 典型应用示例

以工业应用为例，ISOM871x可以与德州仪器的混合信号微控制器、数模转换器、变压器驱动器、CAN收发器、缓冲器和电压调节器一起使用，创建一个隔离的CAN通信系统。通过替换不同的组件，还可以创建隔离的RS - 485、UART、SPI、GPIO等信号通信系统，此外，还可以用于隔离推荐工作条件内的其他信号，如PWM电源反馈信号。

5.3 设计要求与详细设计过程

5.3.1 设计要求

设计时需要考虑的参数如下： |