ISO7821/ISO7821F：高性能双通道数字隔离器的深度解析

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、稳定运行的关键组件之一。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（Texas Instruments）推出的ISO7821和ISO7821F高性能双通道数字隔离器。

文件下载：iso7821.pdf

一、产品概述

ISO7821和ISO7821F是具有8000V峰值（(8000 ~V_{PK})）隔离电压的高性能双通道数字隔离器。它们采用先进的设计和制造工艺，具备一系列出色的特性，适用于多种工业和电子应用场景。

二、产品特性亮点

2.1 高速信号传输

其信号传输速率高达100Mbps，能够满足大多数高速数据传输的需求，确保数据的快速、准确传输。

2.2 宽电源电压范围

支持2.25V至5.5V的宽电源电压范围，同时具备2.25V至5.5V的电平转换能力，这使得它在不同电源环境下都能稳定工作，增强了产品的通用性和适应性。

2.3 宽温度范围工作

可在 -55°C至125°C的宽温度范围内正常工作，能够适应各种恶劣的工业环境，保证了产品在不同温度条件下的可靠性。

2.4 低功耗设计

在1Mbps数据速率下，每个通道的典型功耗仅为1.8mA，有效降低了系统的整体功耗，延长了设备的续航时间。

2.5 低传播延迟

典型传播延迟仅为11ns（5V电源），能够快速响应输入信号的变化，减少信号传输的延迟，提高系统的实时性。

2.6 高共模瞬态抗扰度（CMTI）

行业领先的CMTI最小值为±100kV/μs，能够有效抵抗共模干扰，保证信号的稳定传输，提高系统的抗干扰能力。

2.7 强大的电磁兼容性（EMC）

具备系统级的静电放电（ESD）、电气快速瞬变（EFT）和浪涌抗扰能力，同时发射低，减少了对周围电子设备的干扰，提高了系统的整体稳定性。

2.8 长隔离屏障寿命

隔离屏障寿命超过25年，为系统的长期稳定运行提供了可靠保障。

2.9 多种封装选项

提供SOIC - 16宽体（DW）和超宽体（DWW）两种封装选项，方便工程师根据不同的应用场景和设计需求进行选择。

2.10 安全与法规认证

通过了多项安全和法规认证，如DIN V VDE V 0884 - 10（VDE V 0884 - 10）、UL 1577、CSA、CQC、TUV等认证，确保产品符合国际安全标准，可放心应用于各种安全要求较高的场景。

三、应用领域广泛

3.1 工业自动化

在工业自动化系统中，ISO7821/ISO7821F可用于隔离数据总线和控制信号，防止噪声干扰和电气故障对系统造成影响，提高系统的可靠性和稳定性。

3.2 电机控制

在电机控制系统中，它能够隔离电机驱动电路和控制电路，保护控制电路不受电机产生的高电压和大电流的影响，确保电机的精确控制。

3.3 电源供应

在电源供应系统中，可用于隔离输入和输出信号，提高电源的安全性和稳定性，减少电源噪声对其他电路的干扰。

3.4 太阳能逆变器

在太阳能逆变器中，它可以隔离光伏电池板和逆变器电路，防止电气故障对逆变器造成损坏，提高太阳能发电系统的效率和可靠性。

3.5 医疗设备

由于其具备高隔离电压和良好的电磁兼容性，可用于医疗设备中，保障患者和医疗设备的安全，避免电气干扰对医疗设备的正常运行产生影响。

3.6 混合动力电动汽车

在混合动力电动汽车中，可用于隔离电池管理系统和其他电子系统，确保电池系统的安全和稳定运行，提高电动汽车的性能和可靠性。

四、产品详细描述

4.1 工作原理

ISO7821采用开关键控（OOK）调制方案，通过基于二氧化硅的隔离屏障传输数字数据。发射器通过隔离屏障发送高频载波来表示一个数字状态，不发送信号则表示另一个数字状态。接收器在进行先进的信号调理后对信号进行解调，并通过缓冲级产生输出。同时，该设备还采用了先进的电路技术，以最大限度地提高CMTI性能，并减少由于高频载波和IO缓冲器切换产生的辐射发射。

4.2 功能模式

ISO7821有两种通道配置和默认输出状态选项，以满足各种应用需求。ISO7821默认输出为高电平，而ISO7821F默认输出为低电平。其功能模式包括正常工作模式、默认模式等，具体如下表所示：	输入电源状态	输出使能状态	输入状态	输出状态	备注
H（供电）	H或open（使能）	H或open	H	正常工作：通道输出呈现输入的逻辑状态
PU（未供电）	-	-	Default（ISO7821为高，ISO7821F为低）	默认模式：当VCCI未供电时，通道输出呈现默认状态
-	L（禁用）	-	Z（高阻抗）	输出使能为低时，输出为高阻抗状态

4.3 引脚配置与功能

ISO7821和ISO7821F采用16引脚的SOIC封装，包括DW和DWW两种封装形式。不同封装的引脚配置略有不同，具体引脚功能如下表所示：	引脚编号（DW/DWW）	引脚名称	类型	描述
1, 7 / 2, 8	GND1	-	VCC1的接地连接
9, 16 / 9, 15	GND2	-	VCC2的接地连接
13 / 12	INA	I	通道A的输入
5 / 6	INB	I	通道B的输入
2, 6, 8, 10, 11, 15 / 3, 7, 10, 14	NC	-	未连接
4 / 5	OUTA	O	通道A的输出
12 / 11	OUTB	O	通道B的输出
3 / 1	VCC1	-	电源供应，VCC1
14 / 16	VCC2	-	电源供应，VCC2
4	EN1	I	输出使能1，高电平或开路时使能侧1的输出引脚，低电平时输出为高阻抗状态
- / 13	EN2	I	输出使能2，高电平或开路时使能侧2的输出引脚，低电平时输出为高阻抗状态

五、规格参数详解

5.1 绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
电源电压（(V{CC1})，(V{CC2})）	-0.5	6	V
输入/输出电压（(INx)，(OUTx)）	-0.5	(V_{CC}) + 0.5（最大不超过6V）	V
输出电流（(I_{O})）	-15	15	mA
浪涌抗扰度	-	12.8	kV
存储温度（(T_{stg})）	-65	150	°C

5.2 ESD额定值

测试模型	数值	单位
人体模型（HBM），所有引脚	±6000	V
带电设备模型（CDM），所有引脚	±1500	V

5.3 推荐工作条件

参数	最小值	典型值	最大值	单位
电源电压（(V{CC1})，(V{CC2})）	2.25	-	5.5	V
高电平输出电流（(I_{OH})）	-	-	-	mA
(V_{CCO}) = 5V	-4	-	-
(V_{CCO}) = 3.3V	-2	-	-
(V_{CCO}) = 2.5V	-1	-	-
低电平输出电流（(I_{OL})）	-	-	-	mA
(V_{CCO}) = 5V	-	-	4
(V_{CCO}) = 3.3V	-	-	2
(V_{CCO}) = 2.5V	-	-	1
高电平输入电压（(V_{IH})）	0.7 x (V_{CCI})	-	(V_{CCI})	V
低电平输入电压（(V_{IL})）	0	-	0.3 x (V_{CCI})	V
信号速率（(DR)）	0	-	100	Mbps
结温（(T_{J})）	-55	-	150	°C
环境温度（(T_{A})）	-55	25	125	°C

5.4 热信息

热指标	DW（SOIC）	DWW（SOIC）	单位
结到环境热阻（(R_{θJA})）	84.7	84.7	°C/W
结到壳（顶部）热阻（(R_{θJC(top)})）	47.3	46.0	°C/W
结到板热阻（(R_{θJB})）	49.4	54.5	°C/W
结到顶部表征参数（(ψ_{JT})）	19.1	18.5	°C/W
结到板表征参数（(ψ_{JB})）	48.8	53.8	°C/W
结到壳（底部）热阻（(R_{θJC(bottom)})）	n/a	n/a	°C/W

5.5 功耗特性

在(V{CC1}=V{CC2}=5.5V)，(T{J}=150°C)，(C{L}=15pF)，输入50MHz 50%占空比方波的条件下，ISO7821的最大功耗为100mW，两侧的最大功耗分别为50mW。

5.6 电气特性

在不同电源电压（5V、3.3V、2.5V）下，ISO7821具有不同的电气特性，包括高电平输出电压、低电平输出电压、输入阈值电压滞回、输入电流、CMTI、电源电流等。例如，在5V电源电压下，高电平输出电压典型值为(V_{CCO}-0.2V)，低电平输出电压最大值为0.4V，CMTI最小值为100kV/μs。

5.7 绝缘规格

ISO7821的绝缘性能优异，具有高的工作隔离电压、瞬态隔离电压、浪涌隔离电压等。例如，最大工作隔离电压（(VIOWM)）为2121V（DW）和2828V（DWW），最大瞬态隔离电压（(VIOTM)）为8000V，最大浪涌隔离电压（(VIOSM)）为8000V。同时，其隔离电阻大于(10^9Ω)，污染度为2，气候类别为55/125/21。

六、应用与设计建议

6.1 典型应用示例

ISO7821可用于构建隔离的4 - 20mA电流环，与德州仪器的混合信号微控制器、数模转换器、变压器驱动器和电压调节器配合使用。具体电路设计可参考文档中的电路图，在设计时需要注意以下几点：

• 电源供应：使用0.1μF的旁路电容分别连接到输入和输出电源引脚（(V{CC1})和(V{CC2})），并将电容尽量靠近电源引脚放置，以提供稳定的电源。如果只有单个初级侧电源可用，可以使用变压器驱动器（如SN6501）为次级侧生成隔离电源。
• 布局设计：
  • PCB材料：对于工作频率低于150Mbps、上升和下降时间大于1ns、走线长度不超过10英寸的数字电路板，建议使用标准的FR - 4环氧玻璃作为PCB材料，因为它具有较低的高频介电损耗、较少的吸湿性、较高的强度和刚度以及自熄性等优点。
  • 层叠结构：为实现低EMI的PCB设计，至少需要四层电路板，层叠顺序为高速信号层、接地层、电源层和低频信号层。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，并确保隔离器与数据链路的发射器和接收器电路之间的干净互连。将实心接地层紧邻高速信号层可以为传输线互连建立受控阻抗，并为回流电流提供低电感路径。将电源层紧邻接地层可以创建约(100pF / in^2)的额外高频旁路电容。将低速控制信号布置在底层可以提供更大的灵活性，因为这些信号链路通常能够容忍过孔等不连续性。
  • 布局示例：具体的布局示例可参考文档中的图示，注意保持适当的间距和布线规则，以减少电磁干扰和信号串扰。

6.2 电磁兼容性（EMC）考虑

在恶劣的工业环境中，许多应用对静电放电（ESD）、电气快速瞬变（EFT）、浪涌和电磁辐射等干扰敏感。ISO7821在芯片级设计上进行了多项改进，以提高整体系统的鲁棒性，包括：

• 为输入和输出信号引脚以及芯片间键合焊盘提供强大的ESD保护。
• 使ESD单元与电源和接地引脚实现低电阻连接。
• 增强高压隔离电容的性能，以更好地耐受ESD、EFT和浪涌事件。
• 使用更大的片上去耦电容，通过低阻抗路径旁路不需要的高能信号。
• 使用保护环将PMOS和NMOS器件相互隔离，避免触发寄生SCR。
• 通过提供纯差分内部操作，减少隔离屏障上的共模电流。

七、总结

ISO7821和ISO7821F高性能双通道数字隔离器凭借其出色的特性、广泛的应用领域和严格的安全认证，成为电子工程师在设计中值得信赖的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的设计需求，合理选择封装形式、电源供应和布局设计，以充分发挥其性能优势，确保系统的安全、稳定运行。同时，在使用过程中要注意静电放电防护，遵循相关的操作和安装规范，避免因ESD损坏设备。希望本文对大家在使用ISO7821和ISO7821F数字隔离器时有所帮助，如果你在设计过程中有任何问题或经验，欢迎在评论区分享交流。