高速 3 通道数字隔离器 NCID9301 和 NCID9311 深度剖析

在电子工程师的日常设计中，数字隔离器是实现系统安全、可靠通信的关键部件。今天，我们就来深入探讨安森美半导体（onsemi）推出的高速 3 通道数字隔离器 NCID9301 和 NCID9311，看看它们有哪些独特的性能和应用。

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一、产品概述

NCID9301 和 NCID9311 是具有输出使能功能的高速 3 通道数字隔离器，它们采用了安森美专利的片外电容隔离技术，能够有效隔离通信系统，避免地环路和危险电压的干扰。这款产品采用 16 引脚宽体小外形封装（SOIC16 W），易于在 PCB 上布局。

二、产品特性

2.1 可靠的高压绝缘

• 片外电容隔离技术：通过片外电容实现隔离，绝缘距离（DTI）≥ 0.5 mm，最大工作绝缘电压可达 2000 Vpeak，确保了在高压环境下的可靠绝缘。
• 高爬电和电气间隙：具备 8 mm 的爬电和电气间隙距离，进一步增强了高压绝缘性能。

2.2 双向通信能力

支持双向通信，能够满足不同系统之间的信号交互需求，提高了系统的灵活性。

2.3 高共模抑制能力

最小共模抑制比达到 100 kV/s，有效抵抗共模干扰，保证信号传输的稳定性。

2.4 宽工作范围

• 电源电压：在 2.5 V 至 5.5 V 的电源电压范围内都能保证性能，适应不同的电源系统。
• 温度范围：工作温度范围为 -40°C 至 125°C，可在恶劣环境下正常工作。

2.5 其他特性

• 过温检测：内置过温检测功能，当环境温度超过约 160°C 时，输出引脚会自动切换到默认状态，温度下降约 20°C 后恢复正常，保护芯片免受热损坏。
• 输出使能功能：在初级和次级侧都具备输出使能功能，方便控制输出信号。

三、技术参数

3.1 安全与绝缘等级

• 安装分类：根据 DIN VDE 0110/1.89 标准，在不同额定电源电压下有相应的安装分类。
• 气候分类：40/125/21，适应不同的气候条件。
• 污染等级：2，适用于一般污染环境。
• 比较跟踪指数（CTI）：600，表明材料具有较好的耐漏电起痕性能。
• 输入 - 输出测试电压：不同测试方法下有不同的测试电压值，如方法 b 为 3750 Vpeak，方法 a 为 3200 Vpeak。
• 最大工作绝缘电压（VIORM）：2000 Vpeak。
• 最高允许过电压（VIOTM）：8000 Vpeak。

3.2 绝对最大额定值

• 存储温度：-55°C 至 +150°C。
• 工作温度：-40°C 至 +125°C。
• 结温：-40°C 至 +150°C。
• 引脚焊接温度：260°C 持续 10 s。
• 电源电压：-0.5 V 至 6 V。
• 电压：-0.5 V 至 6 V。
• 平均输出电流：10 mA。
• 功耗：210 mW。

3.3 推荐工作范围

• 环境工作温度：-40°C 至 +125°C。
• 电源电压：2.5 V 至 5.5 V。
• 高电平输入电压：0.7 × VDDI 至 VDDI。
• 低电平输入电压：0 至 0.1 × VDDI。
• 电源电压欠压锁定（UVLO）上升阈值：2.2 V。
• 电源电压欠压锁定（UVLO）下降阈值：2.0 V。
• 电源电压欠压锁定（UVLO）滞后：0.1 V。
• 高电平输出电流：-2 mA。
• 低电平输出电流：2 mA。
• 信号速率：0 至 15 Mbps。

3.4 隔离特性

• 输入 - 输出隔离电压：在特定条件下（TA = 25°C，相对湿度 < 50%，t = 1.0 分钟，II - O = 10 A，50 Hz）为 5000 VRMS。
• 隔离电阻：VI - O = 500 V 时为 10^11 Ω。
• 隔离电容：VI - O = 0 V，频率 = 1.0 MHz 时为 1 pF。

3.5 电气特性

包括高电平输出电压、低电平输出电压、输入电压阈值、输入电流、共模瞬态抗扰度、输入电容等参数，这些参数会随着电源电压和负载的变化而有所不同。

3.6 电源电流特性

不同电源电压、数据速率和负载条件下的直流和交流电源电流有所差异，工程师在设计时需要根据实际情况进行选择。

四、工作原理

NCID9301 和 NCID9311 通过一对片外电容实现芯片间的电流隔离，数字电路则用于处理通过 0.5 mm 厚隔离屏障的信号。具体工作过程如下：

1. 信号编码：在 IO 开关处，引脚被内部修整为输入或输出。通过一对串行器/解串器和曼彻斯特编码器/解码器功能块，将并行数据转换为串行流，并进行编码，使数据更适合传输。
2. 信号调制与传输：编码后的输入信号 VITX 通过开关键控（OOK）技术，利用片外陶瓷电容作为隔离屏障和传输介质，将信号调制到高频载波上，经放大后传输到隔离屏障。
3. 信号解调与恢复：接收端通过包络检测技术检测并解调信号，得到 VORX。然后，曼彻斯特解码器将编码数据恢复为原始数据，解串器将串行流转换回并行数据，并重新分配到相应的输出引脚。
4. 输出使能控制：输出使能引脚 EN 控制 VOx 的阻抗。当 EN 为低电平时，输出 VOx 处于高阻抗状态；当 EN 为高电平时，VOx 跟随 VINX；当发射侧电源关闭或输入 VINX 断开时，VOx 处于默认低电平状态。

五、布局建议

5.1 PCB 选择

建议使用 4 层 FR4 PCB，底层为接地层，中间层为电源层，顶层和底层分别布置信号线和电源填充、信号线和接地填充。这种层结构可以形成层间电容，有助于旁路电容在数字开关速率下的可靠工作。

5.2 隔离电路布局

隔离电路需要有独立的接地和电源平面，器件下方区域应保持无电源、接地或信号走线。同时，要保持不小于器件封装规定的最小爬电距离。

5.3 旁路电容布局

至少连接一对低 ESR 电源旁路电容，放置在距离电源引脚 1 和 16 以及接地引脚 2 和 15 不超过 2 mm 的位置，推荐值分别为 1 μF 和 0.1 μF。高频、低容值的电容应更靠近器件引脚。器件的接地引脚 2、8、9 和 15 应通过过孔直接连接到相应的接地平面。

六、典型应用

6.1 隔离 PWM 控制

在电机控制等领域，通过隔离 PWM 信号，可以避免干扰，提高控制精度。

6.2 工业现场总线通信

确保工业现场不同设备之间的可靠通信，防止信号干扰和地电位差的影响。

6.3 微处理器系统接口

如 SPI、I2C 等接口，实现微处理器与其他设备之间的隔离通信。

6.4 可编程逻辑控制

在 PLC 系统中，保证信号的稳定传输和系统的可靠性。

6.5 隔离数据采集系统

采集传感器数据时，隔离数字隔离器可以防止外界干扰，提高数据采集的准确性。

6.6 电压电平转换

实现不同电压电平之间的信号转换，满足不同设备的接口需求。

七、订购信息

NCID9301 和 NCID9311 有工业级和汽车级（NCIV 前缀）等不同等级可供选择，封装均为 SOIC16 W，有管装和卷带包装两种形式。

八、总结

NCID9301 和 NCID9311 高速 3 通道数字隔离器凭借其出色的性能和丰富的特性，为电子工程师在设计隔离通信系统时提供了可靠的选择。在实际应用中，工程师需要根据具体需求，合理选择工作参数，并遵循布局建议，以充分发挥其优势。你在使用数字隔离器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。