射频调制隔离器件 - 浅谈数字隔离器件的选型与应用

　　射频调制变压器隔离器件

　　芯科实验室公司是采用射频调制变压器技术研发生产数字隔离器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套专利架构为基础，利用标准全CMOS工艺制造多组芯片级变压器，能够提供整合度最高的4通道隔离功能。产品中采用的射频编码和译码机制使得不需要特别考虑或初始设定，就能提供可靠的隔离数据路径。芯科实验室公司产品的优点与ADI公司的产品类似，但也有一个很明显的缺点。由于采用射频调制，内部有2.1GHz的载波产生及检测，载波和谐波会对外界产生电磁辐射，不过电磁辐射值满足FCC（美国通信委员会）标准要求。该公司射频调制隔离器件的实现原理框图如图4所示。

　　

　　图4 射频调制隔离器件实现原理框图

　　巨磁电阻隔离器件

　　NVE公司的IL系列和安华高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速数字隔离器件是采用巨磁电阻技术集成的高速CMOS器件。在GMR隔离器中，输入端信号在低电感线圈感应电流，产生正比的磁场。总的磁场改变GMR的电阻，通过CMOS集成电路分析，输出就是输入信号的精确重生。该类器件优点与别的电感式器件类似，但有几个明显的缺点：上电或初始状态时输入与输出可能状态不一致;对输入噪声敏感，伴随一个噪声尖峰，输出不稳定，有可能与输入不一致，也可能一致，还可能会振荡;对较缓的脉冲上升沿，输出可能随输入变化，可能不变，还可能会振荡;输出有过冲;无直流校正功能，无法传输直流信号。NVE公司巨磁电阻隔离器件IL710的实现原理图如图5所示。

　　

　　图5 NVE公司IL710实现原理框图

　　电容耦合隔离器件

　　电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输。电容器极板之间的材料是电介质绝缘体（二氧化硅），即隔离层，这种高性能的绝缘体具有很稳定的可靠性和耐用性以及抗磁干扰能力和抗瞬态电压能力。电极板的大小、板间距离以及电介质材料决定了电气特性。采用电容隔离层的优势是效率高，无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。这种高效特性使得实现低功耗及低成本的集成式隔离电路成为可能。抗干扰性则使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作。与变压器不同的是，电容耦合的缺点在于无差分信号，并且噪声与信号共用同一条传输通道。这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率，以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗而对噪声呈现高阻抗。如同电感耦合一样，电容耦合也存在带宽限制，并需要时钟编码数据。

　　TI公司的ISO72x系列数字隔离器采用电容耦合技术。电容耦合解决方案使用了经过验证的低成本制造工艺，能够提供固有的抗磁场干扰特性。ISO72x使用“AC”与“DC”两种通道进行通信，如图6所示。“AC”通道不经过编码，而是经单端至差分转换后直接通过隔离层传输数据。差分信号传输的优点是可抑制接收机的共模噪声。共模抑制与耦合介质（对噪声呈现高阻抗，对高频数据呈现低阻抗）共同实现了瞬态抗干扰功能。“DC”通道将输入数据转换成脉宽调制（PWM）格式，并使用差分方式通过隔离层传输数据。PWM与隔离层接收侧的脉宽解调器（PWD）可确保稳态条件（1或0的长字符串）下能够正确通信。此外，“DC”通道还可提供自动防护功能。自动防护指的是在出现输入故障的情况下对输出状态的判断。ISO72x系列器件使用载波检测功能来确定输入结构的电源是否处于“开启”以及该结构是否正在运行。如果该载波检测器在4ms内未检测到脉冲，则会将输出设置为逻辑高电平。

　　

　　图6 TI公司ISO72X系列实现原理框图

　　各类数字隔离器件性能比较

　　表1对各类数字隔离器件的性能指标进行了归纳比较，供研发设计师在设计产品时参考。各公司的隔离器件只要通道数相同，都采用相同的封装，引脚相互兼容，仅有部分引脚定义稍有差异，大多数情况下都可相互替换。产品设计师可根据具体需要选择不同公司的产品，也可在调试时更换，给产品设计留下了更多的选择空间。

　　应用实例

　　ADuM1100应用

　　某便携产品设计时收发模块需向信号处理模块提供0、1电平的状态线1根和40MHz方波时钟，系统要求信号处理模块需对这两根信号线进行隔离接收。最初设计时选用了安华高公司的光电隔离器HCPL-063实现状态线的隔离，NVE公司的IL710实现时钟的隔离。改进设计时，电路板不变，充分利用ADI公司ADuM系列隔离器件的直流校正功能，直接用ADuM1100替代HCPL-063和IL710，实验结果性能良好。当然，也可用TI公司的ISO721替代。若电路板重新设计，则可选用双通道具有直流校正功能的隔离器件，如ADI公司的ADuM1200或TI公司的ISO7220，来替代单通道的HCPL-063和IL710器件。

　　ADuM5241应用

　　某通信设备的控制模块需与外部设备通过RS-422异步串口进行通信，系统要求通信设备的控制模块内异步串口需与其它电路进行隔离。开始设计时，选用TI公司的隔离电源转换芯片DCR01，将内部一路+5V电源转换成一路单独+5V，给隔离芯片IL712和电平转换芯片RS422供电，隔离所需电源的电流大约为5mA。改进设计时，由于ADI公司的ADuM5241除了实现数字信号的隔离作用外，还内置了DC/DC转换器，能向该芯片隔离端提供电源，并向采用5V电源的各种应用提供高达10mA的电流。故采用ADuM5241器件代替DCR01和IL712器件，实现了同样的功能，同时节约了空间，减少了器件，降低了成本。

　　结语

　　随着数字电路和通信产业的飞速发展，数字隔离器件得到了广泛的应用。本文介绍了最新几种数字隔离技术及器件的工作原理和优缺点，电路设计师可根据具体的电路特点，选择合适的数字隔离器件。