ISO72x系列单通道高速数字隔离器：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，数字隔离器是保障系统安全、稳定运行的关键组件。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的ISO721、ISO721M、ISO722和ISO722M单通道高速数字隔离器。

文件下载：iso722.pdf

一、特性亮点

1. 高速信号传输

ISO72x系列提供100Mbps和150Mbps两种信号速率选项，能够满足不同高速数据传输的需求。同时，其典型传播延迟仅为12ns，脉冲偏斜典型值为0.5ns，确保了信号的快速、准确传输。

2. 低功耗与长寿命

具备低功耗睡眠模式，可有效降低系统功耗。在额定工作电压下，典型使用寿命可达28年，为长期稳定运行提供了保障。

3. 高电磁兼容性

拥有高电磁抗扰度，能够在复杂的电磁环境中稳定工作，减少外界干扰对信号传输的影响。

4. 故障安全输出

当输入电源丢失或未被有效驱动时，故障安全电路会将输出驱动到逻辑高电平，增强了系统的可靠性。

5. 广泛的兼容性

可作为大多数光耦和磁隔离器的直接替代品，并且能够在3.3V和5V电源下工作，工作温度范围为 -40°C至 +125°C，具有良好的通用性。

6. 安全认证齐全

获得了DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）、UL 1577组件认可计划以及IEC 61010 - 1、IEC 62368 - 1等多项安全相关认证，满足不同应用场景的安全要求。

二、应用领域

ISO72x系列数字隔离器在多个领域都有广泛的应用：

1. 工厂自动化

可用于Modbus、Profibus™、DeviceNet™等数据总线，保障工业控制系统中数据的可靠传输。

2. 计算机外设接口

在计算机与各种外设之间提供电气隔离，防止噪声干扰和设备损坏。

3. 伺服控制接口

确保伺服控制系统中信号的准确传输，提高控制精度和稳定性。

4. 数据采集

在数据采集系统中，隔离器可以有效隔离噪声，提高采集数据的准确性。

三、产品描述

1. 隔离原理

ISO72x系列设备通过二氧化硅（SiO₂）绝缘屏障将逻辑输入和输出缓冲器分隔开，该屏障可提供高达4000Vₚₖ的电隔离（根据VDE 0884 - 17标准）。结合隔离电源使用时，能防止数据总线或其他电路上的噪声电流进入本地接地，避免干扰或损坏敏感电路。

2. 信号处理流程

二进制输入信号经过调理后转换为平衡信号，再通过隔离屏障进行差分处理。在隔离屏障另一侧，差分比较器接收逻辑转换信息，相应地设置或重置触发器和输出电路。同时，会定期发送更新脉冲以提供输出的正确直流电平。

3. 故障安全机制

如果超过4μs未接收到直流刷新脉冲，输入将被视为未供电或未被有效驱动，故障安全电路会将输出驱动到逻辑高电平。

4. 电源与输入输出特性

这些设备需要两个3.3V、5V或任意组合的电源电压。当由3.3V电源供电时，所有输入都能耐受5V电压，所有输出均为4mA CMOS。

5. 不同型号特点

• ISO722和ISO722M：包含一个低电平有效输出使能端，当驱动到高逻辑电平时，输出将处于高阻抗状态，并关闭内部偏置电路以节省功耗。
• ISO721和ISO722：具有TTL输入阈值和输入噪声滤波器，可防止持续时间长达2ns的瞬态脉冲传递到设备输出。
• ISO721M和ISO722M：具有CMOS VCC / 2输入阈值，但没有噪声滤波器和额外的传播延迟，能够实现低抖动操作。

四、设备对比

型号	信号速率	输出使能	输入阈值	噪声滤波器
ISO721	100 Mbps	否	TTL	是
ISO721M	150 Mbps	否	CMOS	否
ISO722	100 Mbps	是	TTL	是
ISO722M	150 Mbps	是	CMOS	否

工程师在选择时，可以根据具体的应用需求，如信号速率、是否需要输出使能、对噪声的敏感度等因素来综合考虑。

五、引脚配置与功能

ISO721和ISO721M采用8引脚SOIC封装，ISO722和ISO722M同样为8引脚SOIC封装，但ISO722和ISO722M多了一个输出使能引脚（EN）。各引脚功能如下：	引脚名称	ISO721x引脚号	ISO722x引脚号	类型	描述
VCC1	1	1	-	电源，VCC1
VCC2	8	8	-	电源，VCC2
IN	2	2	I	输入
OUT	6	6	O	输出
EN	-	7	I	输出使能。当EN为低电平或断开时，OUT使能；当EN为高电平时，OUT禁用
GND1	4	4	-	VCC1的接地连接
GND2	5	5	-	VCC2的接地连接

六、规格参数

1. 绝对最大额定值

在使用过程中，必须注意设备的绝对最大额定值，如电源电压（VCC）范围为 -0.5V至6V，输入电压（VI）范围为 -0.5V至VCC + 0.5V（最大不超过6V）等。超出这些范围可能会导致设备永久性损坏。

2. ESD额定值

该系列设备的人体模型（HBM）静电放电额定值为 ±2000V，带电设备模型（CDM）为 ±1000V，在操作时需要注意静电防护。

3. 推荐工作条件

推荐的电源电压范围为3V至5.5V，不同型号的输入脉冲持续时间和信号速率要求有所不同。同时，环境温度范围为 -40°C至125°C，结温不超过150°C。

4. 热信息

了解设备的热特性对于确保其正常工作至关重要。例如，ISO72x在不同电路板条件下的热阻参数不同，在设计散热方案时需要参考这些参数。

5. 功率额定值

在不同的工作条件下，设备的功率消耗也有所不同。如ISO721和ISO722在特定条件下的功率耗散典型值为159mW，ISO721M和ISO722M为195mW。

6. 安全限制值

安全限制值用于最小化输入或输出电路故障时对隔离屏障的潜在损坏，如安全输入、输出或电源电流限制以及安全温度限制等。

7. 绝缘规格

包括外部间隙（CLR）、外部爬电距离（CPG）、绝缘距离（DTI）、比较跟踪指数（CTI）等参数，这些参数对于确保设备的电气绝缘性能至关重要。

8. 安全相关认证

获得的多项安全认证为设备在不同应用场景中的使用提供了保障，工程师在设计时需要确保系统符合相应的认证要求。

9. 电气和开关特性

详细的电气和开关特性参数，如电源电流、输出电压、传播延迟、脉冲偏斜、抖动等，为工程师评估设备性能和进行电路设计提供了依据。

七、应用与设计要点

1. 应用信息

ISO72x系列采用单端TTL或CMOS逻辑开关技术，适用于隔离单端CMOS或TTL数字信号线。在设计时，通常将隔离器放置在数据控制器（如μC或UART）与数据转换器或线路收发器之间。

2. 典型应用示例

以ISO721为例，可以与德州仪器的微控制器、CAN收发器、变压器驱动器和低压差稳压器配合使用，构建隔离CAN接口。

3. 设计要求

与光耦不同，ISO72x系列设备仅需要两个外部旁路电容即可工作，简化了设计。

4. 详细设计步骤

在电路连接时，要注意旁路电容应尽可能靠近电源引脚。同时，该系列隔离器与大多数其他供应商的产品具有相同的功能引脚布局，常可进行引脚对引脚的直接替换，但在替换时需要注意不同产品在传播延迟、信号速率、功耗和瞬态保护等级等方面的差异。

5. 电源供应建议

为了确保设备在数据速率和电源电压下可靠运行，必须在输入和输出电源引脚（VCC1和VCC2）放置0.1μF的旁路电容。如果应用中只有单个初级侧电源，可借助变压器驱动器（如德州仪器的SN6501）为次级侧生成隔离电源。

6. 布局要点

• 布局准则：为实现低EMI PCB设计，至少需要四层电路板，层叠顺序应为高速信号层、接地层、电源层和低频信号层。高速信号应在顶层布线，避免使用过孔；接地层应紧邻高速信号层，以提供低电感回流路径；电源层紧邻接地层可增加高频旁路电容；低速控制信号可在底层布线。
• PCB材料选择：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FR - 4 UL94V - 0印刷电路板，因其具有低高频介电损耗、低吸湿性、高强度和刚度以及自熄性等优点。

八、设备与文档支持

1. 设备支持

德州仪器提供了多个参考设计和IBIS模型，为工程师的开发工作提供了便利。

2. 文档支持

相关文档包括数字隔离器设计指南、隔离术语表、隔离RS - 485参考设计应用报告和ISO721EVM用户指南等，工程师可以从中获取更多的设计信息和技术支持。

3. 文档更新通知

工程师可以在ti.com上注册设备产品文件夹的通知，以接收每周的产品信息更新摘要。

4. 支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、可靠答案和设计帮助的重要渠道。

5. 注意事项

该集成电路容易受到ESD损坏，在操作时需要采取适当的预防措施。

综上所述，ISO72x系列单通道高速数字隔离器具有众多优秀特性和广泛的应用场景，在设计过程中，工程师需要根据具体需求合理选择型号，并严格遵循设计要点和注意事项，以确保系统的安全、稳定运行。你在使用数字隔离器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。