想法簡介

與光耦合器相比，數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有顯著、引人注目的優勢。

多年來，工業、醫療和其他隔離系統的設計人員在實施安全隔離時選擇有限：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、能效和集成度方面具有優勢。了解數字隔離器三個關鍵元件的性質和相互依賴性對于選擇合適的數字隔離器非常重要。這些元素是絕緣材料，其結構和數據傳輸方法。

設計人員采用隔離是因為安全法規或降低接地環路的噪聲等。電氣隔離可確保數據傳輸，而無需可能造成安全隱患的電氣連接或泄漏路徑。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等限制。數字隔離器的目標是滿足安全要求，同時最大限度地減少造成的處罰。

光耦合器是一種傳統的隔離器，其損失最大，功耗高，數據速率限制在1 Mbps以下。可提供更高功率、更高速的光耦合器，但成本損失更高。

數字隔離器于10多年前推出，旨在減少與光耦合器相關的損耗。它們使用基于CMOS的電路，在顯著提高數據速率的同時，可顯著節省成本和功耗。它們由上述元素定義。絕緣材料決定了固有的隔離能力，選擇絕緣材料以確保符合安全標準。選擇結構和數據傳輸方法來克服上述處罰。所有這三個要素必須協同工作以平衡設計目標，但一個不能妥協和“平衡”的目標是滿足安全法規的能力。

絕緣材料

數字隔離器使用代工廠CMOS工藝，僅限于代工廠常用的材料。非標準材料使生產復雜化，導致可制造性差和成本增加。常見的絕緣材料包括聚合物，如聚酰亞胺（PI）和二氧化硅（SiO2），它可以紡成薄膜。兩者都具有眾所周知的絕緣性能，并且已在標準半導體加工中使用多年。聚合物一直是許多光耦合器的基礎，使它們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（通常為 2.5 kV rms 至 5 kV rms）和工作電壓（通常為 125 V rms 至 400 V rms）。一些標準還規定持續時間更短，電壓更高（例如，10 kV峰值，持續50 μs），作為增強絕緣認證的一部分。聚合物/聚酰亞胺基隔離器具有最佳的隔離性能，如表1所示。

基于聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器類似，在典型工作電壓下超過使用壽命。基于 SiO2 的隔離器提供較弱的浪涌保護，妨礙了在醫療和其他應用中的使用。

每部薄膜的固有應力也不同。聚酰亞胺的應力低于 SiO2，并且可以根據需要增加厚度。SiO2厚度和隔離能力受到限制;超過 15 μm 的應力可能導致晶圓在加工過程中破裂或在隔離器的使用壽命內分層。基于聚酰亞胺的數字隔離器使用厚達26 μm的隔離層。

隔離器結構

與使用LED光的光耦合器相比，數字隔離器使用變壓器或電容器在隔離柵上以磁性或電容方式耦合數據。

如圖1所示，變壓器通過線圈脈沖電流，以產生一個小的局部磁場，在另一個線圈中感應電流。電流脈沖很短，為1 ns，因此平均電流很低。

圖1.具有厚聚酰亞胺絕緣的變壓器，其中電流脈沖產生磁場以在次級線圈上感應電流（左）;薄碳化硅電容器2使用低電流電場耦合隔離柵的絕緣（右）

變壓器還具有差分特性，具有出色的共模瞬態抗擾度，高達100 kV/μs（光耦合器通常約為15 kV/μs）。與電容耦合對板間距離的依賴性相比，磁耦合對變壓器線圈之間距離的依賴性也較弱。這允許變壓器線圈之間的絕緣更厚，從而提高隔離能力。結合低應力聚酰亞胺薄膜，使用聚酰亞胺的變壓器與使用SiO2的電容器可以實現高水平的隔離。

電容也是單端的，對共模瞬變具有更高的敏感性。差分電容對可以補償，但這會增加尺寸和成本。

電容器的一個優點是它們使用低電流來產生耦合電場。在高于 25 Mbps 的高數據速率下，這一點變得很明顯。

數據傳輸方式

光耦合器利用來自LED的光跨越隔離柵傳輸數據：LED在邏輯高電平時導通，在邏輯低電平時熄滅。當LED亮起時，光耦合器會消耗功率，這使得光耦合器在功耗方面是一個糟糕的選擇。大多數光耦合器將輸入和/或輸出端的信號調理留給設計人員，這并不總是最容易實現的。

數字隔離器使用更先進的電路對數據進行編碼和解碼，從而實現更快速的數據傳輸，并能夠處理復雜的雙向接口，如USB和I。2C.

一種方法將上升沿和下降沿編碼為驅動變壓器的雙脈沖或單脈沖（圖 2）。這些脈沖被解碼回次級側的上升沿/下降沿。與光耦合器相比，功耗降低了10×至100×因為不像光耦合器那樣連續供電。可以包括刷新電路以定期更新直流電平。

圖2.一種傳輸數據的方法將邊沿編碼為單脈沖或雙脈沖。

另一種方法使用RF調制信號的方式與光耦合器使用光的方式大致相同;邏輯高信號導致連續的射頻傳輸。這比脈沖方法消耗更多的功率，因為邏輯高信號會持續消耗功率。

差分技術也可用于共模抑制;但是，這些最好與變壓器等差分元件一起使用。

選擇正確的組合

與光耦合器相比，數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有顯著、引人注目的優勢。在數字隔離器類別中，絕緣材料、結構和數據傳輸方法的不同組合區分了不同的產品，使某些產品或多或少適合特定應用。如上所述，聚合物基材料提供最強大的隔離能力;這種材料幾乎可用于所有應用，但最嚴格的應用，如醫療保健和重工業設備，將獲得最大的優勢。為了實現最堅固的隔離，聚酰亞胺厚度可能會增加到超過電容器的合理厚度;因此，基于電容的隔離可能最適合于不需要安全隔離的功能隔離。在這些情況下，基于變壓器的隔離可能最有意義，特別是當與充分利用變壓器差分特性的差分數據傳輸方法結合使用時。

審核編輯：郭婷