LTM2887数字隔离器：特性、应用与设计要点解析

在电子设计领域，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LTM2887这款数字隔离器，看看它有哪些独特之处，以及在实际应用中需要注意的要点。

文件下载：DC1791A-A.pdf

一、LTM2887概述

LTM2887是一款完整的电流隔离式数字µModule（微模块）隔离器，无需外部组件。其通过集成的隔离式DC/DC转换器，仅需一个3.3V或5V电源即可为接口的两侧供电。逻辑电源引脚允许其轻松与1.62V至5.5V的不同逻辑电平进行接口，且与主电源相互独立。该隔离器有SPI/Digital（LTM2887 - S）或I²C（LTM2887 - I）两种选项，适用于不同的应用场景。

二、产品特性

（一）电气特性

1. 电源供应
   • 输入电源范围：LTM2887 - 3的VCC输入范围为3V至3.6V，LTM2887 - 5的VCC输入范围为4.5V至5.5V。逻辑电源VL方面，LTM2887 - S的范围是1.62V至5.5V，LTM2887 - I的范围是3V至5.5V。
   • 电源电流：在不同工作状态下，输入电源电流和逻辑电源电流有所不同。例如，ON = 0V时，输入电源电流和逻辑电源电流都在0至10µA之间；当ON = VL且无负载时，LTM2887 - 3的输入电源电流为25至30mA，LTM2887 - 5的输入电源电流为19至25mA。
2. 输出电源
   • 输出电压：VCC2和VL2在无负载且AVCC2、AVL2开路时，调节后的输出电压为4.75V至5.25V，输出电压工作范围为0.6V至5.5V。
   • 负载调节：当负载电流从1mA变化到100mA时，VCC2和VL2的负载调节在45至150mV之间。
   • 电流限制：输出短路电流可达200mA，内部电流限制为100mA，还可通过外部电阻进行编程设置不同的电流限制值。
3. 逻辑/SPI特性
   • 输入阈值电压：根据VL的不同范围，输入阈值电压有所变化。例如，当1.62V ≤ VL < 2.35V时，ON、DI1等引脚的输入阈值电压为0.25 • VL至0.75 • VL。
   • 输出特性：输出高电压和低电压在不同负载电流和VL条件下有相应的规定，如DO1、DO2等引脚在不同负载电流下的输出高电压和低电压范围。
4. I²C特性
   • 输入电压：SCL、SDA等引脚的低电平输入电压为0.3 • VL，高电平输入电压为0.7 • VL。
   • 输出特性：SCL2、DO2等引脚在不同负载电流下的输出高电压和低电压有明确规定。

（二）开关特性

1. 逻辑开关特性
   • 最大数据速率：DI1 ￫ O1、Ix ￫ DOx在CL = 15pF时，最大数据速率可达10MHz。
   • 传播延迟：在CL = 15pF时，传播延迟tPHL、tPLH为35至100ns。
   • 上升时间和下降时间：在CL = 15pF时，上升时间和下降时间在3至35ns之间。
2. SPI开关特性
   • 最大数据速率：双向通信时为4MHz，单向通信时为8MHz。
   • 传播延迟、上升时间、下降时间等参数与逻辑开关特性类似。
3. I²C开关特性
   • 最大数据速率：可达400kHz。
   • 传播延迟在不同条件下有所不同，如SCL ￫ SCL2、SDA ￫ SDA2等的传播延迟在150至500ns之间。

（三）隔离特性

1. 共模瞬态抗扰度：在VL = ON = 3.3V，VCM = 1kV，∆t = 33ns的条件下，共模瞬态抗扰度可达30kV/µs。
2. 额定介电绝缘电压：1分钟的额定介电绝缘电压为2500VRMS，从1秒测试推导得出。
3. 最大连续工作电压：为560VPEAK。
4. 其他特性：还包括部分放电、输入到输出电阻、比较跟踪指数、绝缘深度、输入到输出电容、爬电距离等参数。

三、应用领域

（一）隔离SPI或I²C接口

在工业系统中，常常需要隔离SPI或I²C接口来避免接地环路的影响，LTM2887能够提供可靠的隔离解决方案，保障数据通信的稳定性。

（二）测试和测量设备

在测试和测量设备中，需要高精度的信号传输和隔离，LTM2887的高共模瞬态抗扰度和高速操作特性能够满足这些需求。

（三）打破接地环路

在一些复杂的电子系统中，接地环路可能会引入噪声和干扰，LTM2887可以有效地打破接地环路，提高系统的稳定性和可靠性。

四、设计要点

（一）DC/DC转换器

LTM2887内部集成了DC/DC转换器，包含变压器，无需外部组件。逻辑侧有一个运行在1.6MHz的全桥驱动器，通过交流耦合到单个变压器初级。变压器对初级电压进行缩放，并通过全波电压倍增器进行整流。三个低压差稳压器（LDO）连接到电压倍增器的输出，其中一个为内部电路供电，另外两个为VCC2和VL2输出提供标称5V的稳压。

（二）VL逻辑电源

独立的逻辑电源引脚VL允许LTM2887与1.62V至5.5V（LTM2886 - S）或3V至5.5V（LTM2886 - I）的逻辑信号进行接口，且VCC和VL之间没有相互依赖关系，可在各自规定的工作范围内同时以任意顺序运行。

（三）热插拔安全

由于集成了陶瓷去耦电容，在对LTM2887的电源VCC或VL进行热插拔时需要格外小心。寄生电缆电感和陶瓷电容的高Q特性可能会导致严重的振铃，从而超过最大电压额定值并损坏LTM2887。可参考Linear Technology Application Note 88来详细了解和解决这一问题。

（四）隔离电源可调操作

两个隔离电源轨可以通过连接外部电阻分压器进行调节。VCC2的输出调节范围为0.6V至5.5V，VL2的调节范围对于LTM2887 - I为3V至5.5V，对于LTM2887 - S为1.8V至5.5V。在设置输出电压时，R1或R4的值不应大于6.04k，以减少调节引脚偏置电流和内部电压分压器引起的输出电压误差。

（五）隔离电源可编程电流限制

IVCC2和IVL2引脚允许分别对VCC2和VL2的最大可用电流进行编程。通过连接一个电阻（RIMAx）从IVCC2或IVL2到GND2来设置电流限制阈值（ILIMIT），计算公式为RIMAX = [119.22 - (0.894 • (VCC2, VL2))] / ILIMIT，该公式设置电阻值的精度约为±1%。如果不需要外部可编程电流限制，IVCC2或IVL2必须连接到GND2。

（六）通道定时不确定性

跨隔离边界支持多个通道，通过对输入和输出进行编码和解码来实现。最多三个信号在每个方向上组装成一个数据包并传输过隔离屏障。传输所有3位所需的时间最大为100ns，这限制了信号在屏障另一侧的变化频率。编码传输在每个数据方向上是独立的，逻辑侧的SCK或SCL以及隔离侧的SDO2或I2具有最高优先级，因此相关输出通道没有抖动，只有延迟。但这会在其他隔离通道上产生一定的不确定性，低优先级通道的脉冲宽度不确定性通常为±6ns，但如果低优先级通道未在同一高优先级串行数据包中编码，可能会变化到±50ns。

（七）SPI总线

LTM2887 - S提供SPI兼容的隔离接口，最大数据速率取决于固有通道传播延迟、通道间脉冲宽度不确定性和数据方向要求。SPI协议支持四种由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）定义的独特定时配置。双向通信的最大数据速率为4MHz，单向通信的最大数据速率为8MHz。为确保最大数据速率，CS应在SDI之前异步传输或在同一同步数据包中传输，SDI和SCK的设置数据转换应在同一数据包中。

（八）I²C总线

LTM2887 - I提供I²C兼容的隔离接口，时钟（SCL）为单向，仅支持主模式，数据（SDA）为双向。最大数据速率为400kHz，支持快速模式I²C。数据速率受从机确认建立时间（tSU;ACK）的限制，包括I²C标准最小建立时间（tSU;DAT）、最大时钟传播延迟、毛刺滤波器和隔离数据延迟以及最大总线负载下的组合隔离和逻辑数据下降时间。隔离侧的双向串行数据引脚SDA2由内部1.8mA电流源上拉，不需要连接其他上拉设备。逻辑侧的双向串行数据引脚SDA需要连接一个上拉电阻或电流源到VL。隔离侧时钟引脚SCL2有一个弱推挽输出驱动器，不需要连接外部上拉设备。在PCB布局时，需要考虑SCL2和SDA2之间的信号耦合问题。

（九）RF和磁场抗扰度

LTM2887采用的隔离µModule技术已通过欧洲标准EN 55024的RF和磁场抗扰度测试，符合EN 61000 - 4 - 3、EN 61000 - 4 - 8和EN 61000 - 4 - 9等测试标准。

（十）PCB布局

为了优化LTM2887的电气隔离特性、EMI和热性能，PCB布局需要注意以下几点：

1. 在重载条件下，VCC和GND电流可能超过300mA，因此PCB上需要使用足够的铜来确保电阻损耗不会导致电源电压低于最小允许水平。同样，VCC2和GND2导体的尺寸应能支持任何外部负载电流，这些粗铜迹线还可以帮助减少热应力并提高热导率。
2. 由于输入和输出去耦组件已集成在封装内，不需要额外的去耦组件，但建议使用一个6.8µF至22µF的大容量电容器，其高ESR可以减少电路板共振并最小化电源电压热插拔引起的电压尖峰。对于EMI敏感应用，建议在尽可能靠近电源和接地端子的位置放置一个1µF至4.7µF的低ESL陶瓷电容器，或者使用多个较小值的并联电容器来降低ESL并实现相同的净电容。
3. 不要在PCB的内列焊盘之间放置铜，该区域必须保持开放以承受额定隔离电压。
4. 对于非EMI关键应用，建议使用GND和GND2的实心接地平面来优化信号保真度、热性能并最小化由于未耦合PCB迹线传导引起的RF辐射。但在关注EMI的情况下，使用接地平面可能会形成偶极天线结构，从而辐射GND和GND2之间形成的差分电压。如果使用接地平面，建议最小化其面积，并使用连续平面，因为任何开口或分割都可能加剧RF辐射。对于大接地平面，可以从GND到GND2使用一个小电容（≤330pF），无论是离散的还是嵌入在基板内，都可以为模块寄生电容提供低阻抗电流返回路径，最小化任何高频差分电压并大幅减少辐射发射。
5. 在没有嵌入式PCB基板电容的应用中，可以在逻辑侧和隔离侧设备引脚之间添加一个槽，该槽可以延长PCB侧端子之间的爬电路径，并减少PCB污染引起的泄漏。槽应放置在设备中间并延伸到封装周边之外。

五、典型应用案例

（一）隔离式I²C 12位、0V至4.096V模拟输入和输出

通过LTM2887实现I²C接口的隔离，保障模拟输入和输出的稳定性和可靠性。

（二）隔离式SPI设备扩展

利用LTM2887的SPI接口隔离特性，实现SPI设备的扩展，满足系统的多样化需求。

（三）隔离式I²C缓冲器带双输出

为I²C通信提供隔离和缓冲功能，同时实现双输出，提高系统的灵活性。

六、总结

LTM2887数字隔离器以其丰富的特性、广泛的应用领域和独特的设计要点，为电子工程师在设计中提供了一个可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理选择和使用LTM2887，并注意其设计要点，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用LTM2887的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。