發布日期：2022-10-09 點擊率：90
【導讀】多年來，工業、醫療和其他隔離系統的設計人員實現安全隔離的手段有限， 唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優勢。了解數字隔離器三個關鍵要素的特點及其相互關系，對于正確選擇數字隔離器十分重要。這三個要素是：絕緣材料、結構和數據傳輸方法。
設計人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規或者降低接地環路的噪聲等。電流隔離確保數據傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。
傳統隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響。它們的功耗極高，而且數據速率低于1 Mbps。雖然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。
數字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關的不利影響。數字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節省成本和功耗，同時大大提高數據速率。數字隔離器由上述要素界定。絕緣材料決定其固有的隔離能力，所選材料必須符合安全標準。結構和數據傳輸方法的選擇應以克服上述不利影響為目的。所有三個要素必須互相配合以平衡設計目標，但有一個目標必須不折不扣地實現，那就是符合安全法規。
絕緣材料
數字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標準材料會使生產復雜化，導致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。
安全標準通常規定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms至400 V rms)。某些標準也會規定更短的持續時間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續50 μs)作為增強絕緣認證的一部分要求。基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提供最佳的隔離特性，如表1所示。
表1. 隔離特性
基于聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時壽命更長。基于SiO2的隔離器對浪涌的防護能力相對較弱，不能用于醫療和其他應用。
各種薄膜的固有應力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應力低于SiO2薄膜，可以根據需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限。例如，15 μm厚SiO2層的應力可能會導致晶圓在加工過程中開裂，或者在隔離器使用期間分層。基于聚酰亞胺的數字隔離器可以使用厚達26 μm的隔離層。
隔離器結構
數字隔離器使用變壓器或電容將數據以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED發出的光。
如圖1所示，變壓器電流脈沖通過一個線圈，形成一個很小的局部磁場，從而在另一個線圈生成感應電流。電流脈沖很短(1 ns)，因此平均電流很低。
圖1. (a) 帶厚聚酰亞胺絕緣層的互感器，電流脈沖產生磁場，在另一個線圈中感生電流；(b) 帶薄SiO2絕緣層的電容，利用低電流電場將數據耦合到隔離柵的另一端。
變壓采用差分連接，提供高達100 kV/μs的出色共模瞬變抗擾度(光耦合器通常約為15 kV/μs)。磁性耦合對變壓器線圈間距離的敏感性也弱于容性耦合對板間距離的依賴性， 因此，變壓器線圈之間的絕緣層可以更厚，從而獲得更高的隔離能力。結合聚酰亞胺薄膜的低應力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實現高級隔離性能。
電容為單端連接，更容易受共模瞬變影響。雖然可以用差分電容對來彌補，但這會增大尺寸并提高成本。
除整體性能外，使用該變壓器還有其他好處：它們支持集成隔離電源。ADI的isoPower?技術集成帶數據隔離功能的隔離式DC-DC轉換器，可創建完整的隔離解決方案。畢竟，變壓器是隔離式DC-DC轉換器的關鍵元件。基于電容或基于LED的隔離器無法實現這類解決方案。
數據傳輸方法
光耦合器使用LED發出的光將數據傳輸到隔離柵的另一端：LED點亮時表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當LED點亮時，光耦合器需要消耗電能；對于關注功耗的應用，光耦合器不是一個好的選擇。多數光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調理留給設計人員實現，而這并不一定是非常簡單的工作。
數字隔離器使用更先進的電路來編碼和解碼數據，支持更快的數據傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復雜的雙向接口。
一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅動變壓器(圖2)。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因為不像光耦合器，電源無需連續提供給器件。 器件中可以包括刷新電路，以便定期更新直流電平。
圖2. 一種數據傳輸方法是將邊沿編碼為單脈沖或雙脈沖
另一種方法是使用RF調制信號，其使用方式與光耦合器使用光的方式非常相似，邏輯高電平信號將引起連續RF傳輸。一般將其稱為“開-關”方案。此方案的優勢是它可以更快地跨越隔離柵傳輸數據；但抖動有時會是個問題。此外，開-關方案的功耗高于脈沖方法，因為邏輯高電平信號需要持續消耗電能。 采用脈沖方法，則功耗可以降低至 1 μW的最低水平，這是其他方法所不能比擬的。
也可以采用差分技術來提供共模抑制，不過，這些技術最好配合互感器等差分元件使用。
選擇正確的組合
數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優勢。在數字隔離器領域，不同的絕緣材料、結構和數據傳輸方法組合造就不同的產品，而不同的產品適合不同的具體應用。如上所述，基于聚合物的材料提供最魯棒的隔離能力，這種材料幾乎適合所有應用，但醫療保健和重工業設備等要求最嚴格的應用受益最大。為了實現最魯棒的隔離，聚酰亞胺厚度可以超過對電容而言的合理厚度。因此，基于電容的隔離最適合不需要安全隔離的功能隔離應用。在這種情況下，基于變壓器的隔離可能是最合理的，特別是結合差分數據傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。
雖然每一位設計人員都會選擇最適合其應用、擁有適當平衡特性的隔離器，但有三個參數是非常重要的：時序、功耗，當然還有隔離。為了對不同的技術進行評估，考慮下圖中的情形。圖中采用的品質因數基于時序/隔離能力，然后根據功耗繪出曲線。在這種情況下，我們選擇了浪涌耐受閾值(2 μs上升時間和50 μs下降時間的高壓脈沖，用來建立加強型隔離的適用性)來測量隔離能力。功耗表示1 Mbps數據速率下每通道的最大功耗，單位是mW；我們選用1 Mbps作為代表性的速率，因為大部分功耗敏感型應用工作在中等數據速率下。對于時序而言，我們關心信號跨越隔離柵傳輸的總時序延遲。因此，它不僅包含傳播延遲，還包括抖動和輸出上升與下降時間。
圖3. 不同的隔離器特性組合導致不同的品質因數。有一點是毫無疑問的： 光耦合器遠不如數字隔離器。
以這種方式呈現時，可以看到存在一個性能邊界，它由數字隔離器占據。光耦合器遠遠落后于該邊界，最近的改進已使其向性能邊界靠近，但與數字隔離器仍有很大距離。從圖中還可以看到，不同的技術占據著邊界上的不同位置，基于變壓器/聚酰亞胺且采用脈沖編碼方法的數字隔離器的電源效率低很多，采用開關鍵控方法的數字隔離器則顯示出更好的時序性能。
圖中還隱藏了一些微妙的細節，這就是不同數字隔離器供應商的各代產品在該邊界上的變動趨勢。ADI公司的第二代產品向邊界的兩側移動，一側是降低功耗，另一側是降低總時序延遲。雖然有這些變化，但隔離能力不變。電容1供應商僅沿邊界的一個方向移動，并通過提高隔離能力來實現，但這樣做會增加總時序延遲。原因似乎是，通過增加SiO2厚度來提高隔離能力會降低數據傳輸所需的耦合，進而降低性能。
小結
ADI公司在開發其數字隔離技術時，考慮了數字隔離四要素的各不同之處，并重點關注絕緣材料、隔離元件以及跨越隔離柵傳輸數據的方法。ADI公司的核心iCoupler技術基于聚酰亞胺絕緣和芯片級變壓器，因為這種組合可提供極佳的靈活性，不僅能集成其他功能(如隔離電源)，還允許使用不同的數據傳輸方法。ADI將近14年來始終采用的脈沖方法依然可提供出色的能效和時序性能，同時保留采用其他具備自身優勢的方法的可能性。所有這一切均可在不犧牲隔離能力的前提下實現，這是設計人員使用隔離器的首要原因。
本文轉載自亞德諾半導體。
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