数字隔离

数字隔离简介

　　数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统和航空航天电子设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣的场合。数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声。另一个重要原因是保护器件（或人）免受高电压的危害。厂商的产品手册中所列出的隔离等级（isolationrating）应符合美国保险商实验室（UL1577）、国际电工委员会（IEC60747-5-2、IEC61010-1）以及加拿大标准协会（CSAComponentAcceptanceNotice5A）制定的有关隔离器标准。

数字隔离百科

　　数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统和航空航天电子设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣的场合。数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声。另一个重要原因是保护器件（或人）免受高电压的危害。厂商的产品手册中所列出的隔离等级（isolationrating）应符合美国保险商实验室（UL1577）、国际电工委员会（IEC60747-5-2、IEC61010-1）以及加拿大标准协会（CSAComponentAcceptanceNotice5A）制定的有关隔离器标准。

　　各类数字隔离器件的工作原理及特点

　　光电隔离器

　　光耦合器（opticalcoupler）也叫光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件。发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）被封装在同一管壳内，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得了广泛的应用。其电路结构相对较为简单，主要由砷化镓红外发光二极管和用作检测器的光敏二极管或三极管组成，有些产品在光敏二极管或三极管的后级添加一些处理电路，使其特性适合于一些特殊的应用或实现一些标准接口。安华高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框图如图1所示。

　　图1安华高公司耦合器HCPL-0723的原理框图

　　光耦合长久以来一直用于工业网络，电气层接口的早期参考设计中通常包括光耦合器。其主要优势是光线具有抗外部电磁场干扰的固有特性，而且光耦合可实现稳态信息的传输。不足之处在于传输速度有限、功耗大并且发光二极管（LED）易受时间及温度的影响而老化。

　　电感式隔离器

　　与光耦合一样，电感耦合也有较长的应用历史，但通常仅用于电源或模拟隔离器，而非数字器件。但随着制造工艺的进步和研发设计水平的提高，电感式数字隔离器件得到了迅速的发展和广泛的运用。

　　电感耦合使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信。电感耦合的优势之一是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声。另一个优势是信号能量的转换效率极高，因而可以实现低功耗隔离器。缺点之一是易受外部磁场（噪声）的干扰。马达控制等工业应用在磁场环境中通常需要隔离。电感耦合另一个值得关注的问题是数字数据与数据游程长度（Datarun-length，连续“1”或“0”的数目）的传输。初级绕组与次级绕组之间的耦合能够以可接受的衰减量传递一定频率范围的信号。数据游程长度的限制或时钟编码要求信号必须保持在变压器的可用带宽范围内。使用电感耦合的通用数字隔离器需要对信号进行处理才能传输并重建数字信号，以及传输代表一长串“1”或“0”的低频信号，甚至直流电平。

　　变压器是一个最常见的例子：初级绕组及次级绕组的结构（单位长度的圈数）、磁芯介电常数以及电流强度决定了磁场强度。根据对数字信号编解码的不同，主要有以采用脉冲调制（ADI公司）和射频调制（芯科实验室）为主的两类产品。而采用巨磁电阻（GMR）效应技术设计的数字隔离器件是另一个例子，以NVE公司和安华高公司为代表。

　　脉冲调制变压器隔离器件

　　ADI公司的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件。平面变压器采用CMOS金属层，顶部镀了一层金用于钝化。在镀金层下面的抗高击穿电压的聚酰亚胺层将其顶部的变压器线圈和底部线圈隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本方法。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题，功耗降低了90%，并且无需外部驱动器或分立器件。

　　数字信号的传送是通过发送大约1ns宽的短脉冲到变压器另一端来实现的，两个连续的短脉冲表示一个上升沿，单个短脉冲表示下降沿。信号传送框图如图2所示。次级端有一个不可重复触发的单稳态电路产生检测脉冲。如果检测到两个脉冲，输出就被置为高电平。相反的，如果检测到单个脉冲，输出就置为低电平。采用一个输入滤波器有助于提高噪声抗扰能力。如果1ms左右没有检测到信号边缘，发送刷新脉冲信号给变压器来保证直流的正确性（直流校正功能）。如果输入为高电平，就产生两个连续的短脉冲作为刷新脉冲，如果输入为低电平，就产生单个短脉冲刷新。这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入是很重要的。为了补充驱动器端的刷新电路，在接收器端采用了一个监视定时器来保证在没有检测到刷新脉冲时，输出处于一种故障安全状态。ADI公司ADuM1100器件原理框图如图3所示。

　　图2ADI公司iCoupler系列数字信号传输框图

　　图3ADI公司ADuM1100器件原理框图

　　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5NVE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6TI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。

　　数字隔离器选型及应用经验谈

　　数字隔离器是电子系统中，数字信号和模拟信号进行传递时，使其且具有很高的电阻隔离特性，以实现电子系统与用户之间的隔离的一种芯片。设计人员之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。

　　隔离器主要是用在隔离高压（危险电路）系统和低压（安全电路）系统之间的电气连接，以保护用户以及电路系统安全，以及隔离敏感电路（比如高精度检测电路）和噪声源（例如大功率开关电源）之间的连接，以减小噪声干扰。

　　隔离器的主要结构大致有四种： 一是传统光电耦合; 二是集成式变压器（磁耦合）;三是集成式电容耦合; 四是分立式变压器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光检测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。它的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

　　多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限，唯一合理的选择是光耦合器。 随着近几年数据传输的速度不断提升，传统的光耦合器也暴露出一些缺点，例如，整个电路体积大，集成度不高，而且光电耦合器件本身具有易损耗、速度较慢（一般的数据速率低于1Mbps）、耗电量大等缺点，特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定，为其应用带来局限，特别是在工业应用中这些问题就比较突出。为了克服光电隔离技术的诸多缺点，许多半导体公司开始研发不发光的隔离器解决方案。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。

　　数字隔离器问世于10多年前，目的是降低光耦合器相关的不利影响。数字隔离器采用基于CMOS的电路，能够显著节省成本和功耗，同时大大提高数据速率。数字隔离器由上述要素界定。绝缘材料决定其固有的隔离能力，所选材料必须符合安全标准。结构和数据传输方法的选择应以克服上述不利影响为目的。所有三个要素必须互相配合以平衡设计目标，但有一个目标必须不折不扣地实现，那就是符合安全法规。

　　绝缘材料

　　数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造，仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化，导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物（如聚酰亚胺PI，它可以旋涂成薄膜）和二氧化硅（SiO2）。二者均具有众所周知的绝缘特性，并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础，作为高压绝缘体具有悠久的历史。

　　图1. （a） 带厚聚酰亚胺绝缘层的变压器，电流脉冲产生磁场，在另一个线圈中感生电流;（b） 带薄SiO2绝缘层的电容，利用低电流电场将数据耦合到隔离栅的另一端。

　　表1. 基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提供最佳的隔离特性

　　安全标准通常规定1分钟耐压额定值（典型值2.5 kV rms至5 kV rms）和工作电压（典型值125 V rms至400 V rms）。某些标准也会规定更短的持续时间、更高的电压（如10 kV峰值并持续50 μs）作为增强绝缘认证的一部分要求。基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提高最佳的隔离特性，如表1所示。

　　基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器相似，在典型工作电压时寿命更长。基于SiO2的隔离器对浪涌的防护能力相对较弱，不能用于医疗和其他应用。

　　各种薄膜的固有应力也不相同。聚酰亚胺薄膜的应力低于SiO2薄膜，可以根据需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔离能力也会受限;超过15 μm时，应力可能会导致晶圆在加工过程中开裂，或者在使用期间分层。基于聚酰亚胺的数字隔离器可以使用厚达26 μm的隔离层。

　　隔离器结构

　　数字隔离器使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端，光耦合器则是使用LED光。

　　如图1所示，变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电流。电流脉冲很短（1 ns），因此平均电流很低。

　　变压采用差分连接，提供高达100 kV/μs的出色共模瞬变抗扰度（光耦合器通常约为15 kV/μs）。磁性耦合对变压器线圈间距离的依赖性也弱于容性耦合对板间距离的依赖性，因此，变压变压器线圈之间的绝缘层可以更厚，从而获得更高的隔离能力。结合聚酰亚胺薄膜的低应力特性，使用聚酰亚胺的变压器比使用SiO2的电容更容易实现高级隔离性能。

　　电容为单端连接，更容易受共模瞬变影响。虽然可以用差分电容对来弥补，但这会增大尺寸并提高成本。

　　电容的优势之一是它使用低电流来产生耦合电场。当数据速率较高时（25 Mbps以上），这一优势就相当明显。

　　数据传输方法

　　光耦合器使用LED发出的光将数据传输到隔离栅的另一端：LED点亮时表示逻辑高电平，熄灭时表示逻辑低电平。当LED点亮时，光耦合器需要消耗电能;对于关注功耗的应用，光耦合器不是一个好的选择。多数光耦合器将输入端和/或输出端的信号调理留给设计人员实现，而这并不一定是非常简单的工作。

　　数字隔离器使用更先进的电路来编码和解码数据，支持更快的数据传输速度，能够处理USB和I2C等复杂的双向接口。

　　一种方法是将上升沿和下降沿编码为双脉冲或单脉冲，以驱动变压器（图2）。这些脉冲在副边解码为上升沿或下降沿。这种方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因为不像光耦合器，电源无需连续提供给器件。器件中可以包括刷新电路，以便定期更新直流电平。

　　图2. 一种数据传输方法是将边沿编码为单脉冲或双脉冲

　　另一种方法是使用RF调制信号，其使用方式与光耦合器使用光的方式非常相似，逻辑高电平信号将引起连续RF传输。这种方法的功耗高于脉冲方法，因为逻辑高电平信号需要持续消耗电能。

　　也可以采用差分技术来提供共模抑制，不过，这些技术最好配合变压器等差分元件使用。

　　选择正确的组合

　　数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所无法比拟的巨大优势。在数字隔离器领域，不同的绝缘材料、结构和数据传输方法组合造就不同的产品，而不同的产品适合不同的具体应用。如上所述，基于聚合物的材料提供最鲁棒的隔离能力，这种材料几乎适合所有应用，但医疗保健和重工业设备等要求最严格的应用受益最大。为了实现最鲁棒的隔离，聚酰亚胺厚度可以超过对电容而言的合理厚度;因此，基于电容的隔离最适合不需要安全隔离的功能隔离应用。在这种情况下，基于变压器的隔离可能是最合理的，特别是结合差分数据传输方法，以便充分利用变压器的差分特性。