ISO7021：超低功耗双通道数字隔离器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，数字隔离器是保障系统安全与稳定运行的关键组件。今天，我们就来深入探讨一款性能卓越的超低功耗双通道数字隔离器——ISO7021。

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一、ISO7021的突出特性

1. 超低功耗

ISO7021在功耗方面表现堪称出色。每通道静态电流低至4.8μA（3.3V），在不同数据速率下，功耗也控制得非常理想。例如，在100kbps时每通道为15μA（3.3V），1Mbps时每通道为120μA（3.3V）。如此低的功耗，使得它在对功耗要求苛刻的应用场景中如鱼得水，能够有效延长设备的续航时间，降低能源消耗。

2. 强大的隔离屏障

该隔离器拥有超过100年的预计使用寿命，隔离额定值达到3000 VRMS，典型共模瞬态抗扰度（CMTI）为±100kV/μs。这意味着它能够在复杂的电磁环境中，可靠地隔离信号，防止干扰和噪声的传播，保障系统的稳定性和可靠性。

3. 宽工作范围

• 电源范围：支持1.71V至1.89V以及2.25V至5.5V的宽电源范围，这使得它在不同的电源系统中都能稳定工作，提高了设计的灵活性。
• 温度范围：可在 -55°C至125°C的宽温度范围内正常工作，适应各种恶劣的工业环境，确保设备在极端条件下也能可靠运行。

4. 小巧封装与高信号速率

采用小型8 - SOIC封装（8 - D），节省了电路板空间，适合小型化设计需求。同时，其信号速率高达4Mbps，能够满足高速数据传输的要求。

5. 丰富的输出选项与电磁兼容性

提供默认输出高（ISO7021）和低（ISO7021F）两种选项，方便工程师根据具体应用进行选择。并且具备强大的电磁兼容性（EMC），在系统级静电放电（ESD）、电气快速瞬变（EFT）和浪涌方面具有出色的抗干扰能力，同时辐射极低，符合相关国际标准。

6. 安全认证齐全

通过了多项安全相关认证，如DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）、UL 1577组件认可计划、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1和GB 4943.1等，以及IECEx（IEC 60079 - 0 & IEC 60079 - 11）和ATEX（EN IEC60079 - 0 & EN 60079 - 11）认证，为设备的安全使用提供了可靠保障。

二、ISO7021的应用领域

1. 4mA至20mA环路供电现场变送器

在工业自动化领域，4mA至20mA环路供电现场变送器广泛应用于过程控制和监测。ISO7021的超低功耗特性能够满足环路供电的要求，同时其强大的隔离性能可以有效防止信号干扰，确保变送器的准确测量和可靠传输。

2. 工厂自动化和过程自动化

在复杂的工厂自动化和过程自动化系统中，存在大量的数字信号需要隔离传输。ISO7021可以用于隔离CMOS或LVCMOS数字I/O，保障不同设备之间的信号安全传输，提高系统的稳定性和可靠性。

3. 低功耗GPIO、UART隔离

在一些对功耗敏感的嵌入式系统中，需要对通用输入输出（GPIO）和通用异步收发传输器（UART）进行隔离。ISO7021凭借其超低功耗和良好的隔离性能，能够很好地满足这些需求，同时不影响系统的整体性能。

三、ISO7021的详细描述

1. 工作原理

ISO7021采用基于边缘编码的数据传输方式，结合开关键控（OOK）调制方案，通过二氧化硅隔离屏障传输数字数据。发射器使用高频载波信号传递数据，代表信号边缘过渡；接收器在进行先进的信号调理后对载波信号进行解调，并通过缓冲级产生输出。这种设计实现了极低的功耗和高抗干扰能力。

2. 功能特性

• 刷新功能：内置刷新功能能够持续验证每个隔离通道的直流输出状态是否与直流输入状态匹配。内部看门狗定时器会监测各个输入的活动情况，当输入信号在超过100μs内没有过渡时，会传输逻辑状态，确保隔离器的输入和输出状态始终一致。
• 电磁兼容性设计：为了适应恶劣的工业环境，ISO7021在电磁兼容性方面进行了诸多改进。例如，为输入和输出信号引脚以及芯片间键合焊盘提供了强大的ESD保护单元；采用低电阻连接将ESD单元连接到电源和接地引脚；增强了高压隔离电容器的性能，提高了对ESD、EFT和浪涌事件的耐受性；使用更大的片上去耦电容器，通过低阻抗路径旁路不需要的高能信号；采用保护环将PMOS和NMOS器件相互隔离，避免触发寄生可控硅整流器（SCR）；通过提供纯差分内部操作，减少了隔离屏障上的共模电流。这些设计使得该设备在无屏蔽环境下也能轻松满足CISPR 22 Class A和CISPR22 Class B标准。

3. 功能模式

ISO7021具有多种功能模式，根据输入侧（VCCI）和输出侧（VCCO）的供电状态以及输入信号的不同，输出会呈现不同的逻辑状态。具体如下表所示：	VCCI	VCCO	INPUT (INx)	OUTPUT (OUTx)	COMMENTS
PU	PU	H	H	正常工作：通道输出呈现输入的逻辑状态
L	L
	X	Default	通道输出采用所选的默认选项
PD	PU	X	Default	当VCCI未供电时，通道输出根据所选默认选项呈现逻辑状态。无F后缀的设备默认输出高电平，有F后缀的设备默认输出低电平。当VCCI从无电状态转换到上电状态时，通道输出呈现输入的逻辑状态；当VCCI从上电状态转换到无电状态时，通道输出呈现所选的默认状态
X	PD	X	Undetermined	当VCCO未供电时，通道输出不确定且为三态。当VCCO从无电状态转换到上电状态时，通道输出采用所选的默认选项

四、ISO7021的参数规格

1. 绝对最大额定值

在使用ISO7021时，需要注意其绝对最大额定值，以避免对设备造成永久性损坏。例如，电源电压VCC1至GND1和VCC2至GND2的范围为 -0.5V至6V，输入/输出电压INx至GNDx和OUTx至GNDx的范围为 -0.5V至VCCX + 0.5V，输出电流Io的范围为 -15mA至15mA，工作结温TJ最大为150°C，存储温度Tstg范围为 -65°C至150°C。

2. ESD额定值

该设备具有良好的静电放电（ESD）防护能力，人体模型（HBM）为±6000V，带电设备模型（CDM）为±1500V，接触放电（IEC 61000 - 4 - 2）为±8000V。这使得它在生产和使用过程中能够有效抵抗静电干扰，提高了设备的可靠性。

3. 推荐工作条件

为了确保ISO7021的最佳性能，建议在特定的工作条件下使用。例如，电源电压VCC1和VCC2可以独立设置，输入侧高电平电压VIH为0.7 x VCCI，低电平电压VIL为0至0.3 x VCCI，数据速率DR范围为0至4Mbps，环境温度TA范围为 -55°C至125°C。

4. 热信息

了解ISO7021的热信息对于合理设计散热方案至关重要。其结到环境的热阻RθJA为94.3°C/W，结到外壳（顶部）的热阻RθJC(top)为28.6°C/W，结到电路板的热阻RθJB为43.6°C/W等。这些参数可以帮助工程师评估设备在不同工作条件下的温度上升情况，从而采取相应的散热措施。

5. 电气特性

在不同的电源电压下，ISO7021具有不同的电气特性。以5V电源为例，上升输入开关阈值VIT+(IN)为0.7 x VCCI，下降输入开关阈值VIT-(IN)为0.3 x VCCI，高电平输出电压VOH为VCC - 0.4V（IOH = -4mA），低电平输出电压VOL为0.4V（IOL = 4mA），输入阈值电压滞回V I(HYS)为0.1 x VCCI，高电平输入电流IIH最大为1μA，低电平输入电流IIL最小为 -1μA，共模瞬态抗扰度CMTI为50至100kV/μs，输入电容Ci为2pF。

6. 供电电流特性

在不同的电源电压和工作条件下，ISO7021的供电电流也有所不同。以5V电源为例，在直流信号下，当VI = VCC1（ISO7021）或VI = 0V（ISO7021 with F suffix）时，I CC1和I CC2的典型值为5.9μA，最大值为11.8μA；在交流信号下，不同数据速率下的供电电流也会相应变化。这些数据可以帮助工程师准确评估设备的功耗，优化电源设计。

7. 开关特性

ISO7021的开关特性包括传播延迟时间tPLH、tPHL，传播延迟漂移tP(dft)，最小脉冲宽度tUI，脉冲宽度失真PWD，通道间输出偏斜时间tsk(o)，器件间偏斜时间tsk(p - p)，输出信号上升时间tr和下降时间tf，默认输出延迟时间tDO，从欠压锁定（UVLO）到有效输出数据的时间tPU，刷新速率FR等。这些参数对于评估设备的信号传输速度和准确性非常重要。

五、ISO7021的应用与设计建议

1. 典型应用示例

以隔离UART为例，ISO7021可以用于实现UART信号的隔离传输。在温度场变送器中，通过ISO7021隔离UART信号，可以有效防止干扰，确保数据的准确传输。具体的电路设计需要注意电源电压的选择（VCC1和VCC2为1.71V至1.89V或2.25V至5.5V），并在VCC1和GND1、VCC2和GND2之间分别连接0.1μF的去耦电容器。

2. 电源供应建议

为了确保ISO7021在不同数据速率和电源电压下的可靠运行，建议在输入和输出电源引脚（VCC1和VCC2）处放置0.1μF的旁路电容器，并尽量靠近电源引脚。如果应用中只有一个初级侧电源可用，可以使用变压器驱动器（如SN6501或SN6505A）为次级侧生成隔离电源。

3. 布局设计建议

在PCB设计中，为了实现低电磁干扰（EMI），建议采用至少四层的电路板设计，层叠顺序为高速信号层、接地平面、电源平面和低频信号层。将高速走线布置在顶层可以避免使用过孔，减少电感的引入；在高速信号层旁边放置实心接地平面可以建立传输线互连的受控阻抗，并为回流电流提供低电感路径；将电源平面放置在接地平面旁边可以增加约100pF/in²的高频旁路电容；将低速控制信号布置在底层可以提供更大的灵活性。对于数字电路板，建议使用标准FR - 4 UL94V - 0印刷电路板，以获得更好的高频性能和机械性能。

六、总结

ISO7021作为一款超低功耗双通道数字隔离器，凭借其卓越的性能、丰富的功能和广泛的应用领域，为电子工程师提供了一个优秀的解决方案。在设计过程中，工程师可以根据具体的应用需求，合理选择ISO7021的型号和工作条件，并遵循相关的设计建议，以充分发挥其优势，实现高性能、高可靠性的电子系统设计。你在使用ISO7021的过程中遇到过哪些问题呢？或者你对它的应用有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流！