淺談數(shù)字隔離器件的選型與應用

引言

數(shù)字隔離技術(shù)常用于工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境的現(xiàn)場總線、軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環(huán)境比較惡劣的場合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號和開關量信號的傳輸。使用隔離電路的一個首要原因是為了消除噪聲。另一個重要原因是保護器件(或人)免受高電壓的危害。廠商的產(chǎn)品手冊中所列出的隔離等級(isolation rating)應符合美國保險商實驗室 (UL 1577)、國際電工委員會 (IEC 60747-5-2、IEC 61010-1)以及加拿大標準協(xié)會 (CSA Component Acceptance Notice 5A) 制定的有關隔離器標準。

數(shù)字隔離器件的生產(chǎn)商很多，如安華高、TI、ADI、NVE(nonvolatile electronics Inc)、芯科實驗室(Silicon Laboratories)等公司，各廠商的產(chǎn)品都得到了廣泛的應用。依照數(shù)字式隔離電路的生產(chǎn)工藝、電氣結(jié)構(gòu)和傳輸原理，數(shù)字隔離電路主要分為光學、電感以及電容耦合技術(shù)的數(shù)字隔離器件。產(chǎn)品有消費設備、工業(yè)控制、軍用、航空航天等多個級別供用戶選擇。

各類數(shù)字隔離器件的工作原理及特點

光電隔離器

光耦合器(optical coupler)也叫光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件。發(fā)光器(紅外線發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏半導體管)被封裝在同一管殼內(nèi)，當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得了廣泛的應用。其電路結(jié)構(gòu)相對較為簡單，主要由砷化鎵紅外發(fā)光二極管和用作檢測器的光敏二極管或三極管組成，有些產(chǎn)品在光敏二極管或三極管的后級添加一些處理電路，使其特性適合于一些特殊的應用或?qū)崿F(xiàn)一些標準接口。安華高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框圖如圖1所示。

圖1 安華高公司耦合器HCPL-0723的原理框圖

光耦合長久以來一直用于工業(yè)網(wǎng)絡，電氣層接口的早期參考設計中通常包括光耦合器。其主要優(yōu)勢是光線具有抗外部電磁場干擾的固有特性，而且光耦合可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)信息的傳輸。不足之處在于傳輸速度有限、功耗大并且發(fā)光二極管(LED)易受時間及溫度的影響而老化。

電感式隔離器

與光耦合一樣，電感耦合也有較長的應用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數(shù)字器件。但隨著制造工藝的進步和研發(fā)設計水平的提高，電感式數(shù)字隔離器件得到了迅速的發(fā)展和廣泛的運用。

電感耦合使用不斷變化的磁場來通過隔離層實現(xiàn)通信。電感耦合的優(yōu)勢之一是可以在不明顯降低差模信號的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個優(yōu)勢是信號能量的轉(zhuǎn)換效率極高，因而可以實現(xiàn)低功耗隔離器。缺點之一是易受外部磁場(噪聲)的干擾。馬達控制等工業(yè)應用在磁場環(huán)境中通常需要隔離。電感耦合另一個值得關注的問題是數(shù)字數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)游程長度(Data run-length，連續(xù)“1”或“0”的數(shù)目)的傳輸。初級繞組與次級繞組之間的耦合能夠以可接受的衰減量傳遞一定頻率范圍的信號。數(shù)據(jù)游程長度的限制或時鐘編碼要求信號必須保持在變壓器的可用帶寬范圍內(nèi)。使用電感耦合的通用數(shù)字隔離器需要對信號進行處理才能傳輸并重建數(shù)字信號，以及傳輸代表一長串“1”或“0”的低頻信號，甚至直流電平。

變壓器是一個最常見的例子：初級繞組及次級繞組的結(jié)構(gòu)(單位長度的圈數(shù))、磁芯介電常數(shù)以及電流強度決定了磁場強度。根據(jù)對數(shù)字信號編解碼的不同，主要有以采用脈沖調(diào)制(ADI公司)和射頻調(diào)制(芯科實驗室)為主的兩類產(chǎn)品。而采用巨磁電阻(GMR)效應技術(shù)設計的數(shù)字隔離器件是另一個例子，以NVE公司和安華高公司為代表。

脈沖調(diào)制變壓器隔離器件

ADI公司的iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調(diào)制方式實現(xiàn)的數(shù)字隔離器件。平面變壓器采用CMOS金屬層，頂部鍍了一層金用于鈍化。在鍍金層下面的抗高擊穿電壓的聚酰亞胺層將其頂部的變壓器線圈和底部線圈隔離。連接到頂部和底部線圈的高速CMOS電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。晶片級信號處理提供了一種在單顆芯片中集成多個隔離通道以及其它半導體功能的低成本方法。iCoupler技術(shù)消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90%，并且無需外部驅(qū)動器或分立器件。

數(shù)字信號的傳送是通過發(fā)送大約1ns寬的短脈沖到變壓器另一端來實現(xiàn)的，兩個連續(xù)的短脈沖表示一個上升沿，單個短脈沖表示下降沿。信號傳送框圖如圖2所示。次級端有一個不可重復觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測到單個脈沖，輸出就置為低電平。采用一個輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒有檢測到信號邊緣，發(fā)送刷新脈沖信號給變壓器來保證直流的正確性(直流校正功能)。如果輸入為高電平，就產(chǎn)生兩個連續(xù)的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產(chǎn)生單個短脈沖刷新。這對于上電狀態(tài)和具有低數(shù)據(jù)速率的輸入波形或恒定的直流輸入是很重要的。為了補充驅(qū)動器端的刷新電路，在接收器端采用了一個監(jiān)視定時器來保證在沒有檢測到刷新脈沖時，輸出處于一種故障安全狀態(tài)。ADI公司ADuM1100器件原理框圖如圖3所示。

圖2 ADI公司iCoupler系列數(shù)字信號傳輸框圖


圖3 ADI公司ADuM1100器件原理框圖

射頻調(diào)制變壓器隔離器件

芯科實驗室公司是采用射頻調(diào)制變壓器技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)數(shù)字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構(gòu)為基礎，利用標準全CMOS工藝制造多組芯片級變壓器，能夠提供整合度最高的4通道隔離功能。產(chǎn)品中采用的射頻編碼和譯碼機制使得不需要特別考慮或初始設定，就能提供可靠的隔離數(shù)據(jù)路徑。芯科實驗室公司產(chǎn)品的優(yōu)點與ADI公司的產(chǎn)品類似，但也有一個很明顯的缺點。由于采用射頻調(diào)制，內(nèi)部有2.1GHz的載波產(chǎn)生及檢測，載波和諧波會對外界產(chǎn)生電磁輻射，不過電磁輻射值滿足FCC(美國通信委員會)標準要求。該公司射頻調(diào)制隔離器件的實現(xiàn)原理框圖如圖4所示。

圖4 射頻調(diào)制隔離器件實現(xiàn)原理框圖

巨磁電阻隔離器件

NVE公司的IL系列和安華高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速數(shù)字隔離器件是采用巨磁電阻技術(shù)集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應電流，產(chǎn)生正比的磁場?？偟拇艌龈淖僄MR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。該類器件優(yōu)點與別的電感式器件類似，但有幾個明顯的缺點：上電或初始狀態(tài)時輸入與輸出可能狀態(tài)不一致;對輸入噪聲敏感，伴隨一個噪聲尖峰，輸出不穩(wěn)定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會振蕩;對較緩的脈沖上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會振蕩;輸出有過沖;無直流校正功能，無法傳輸直流信號。NVE公司巨磁電阻隔離器件IL710的實現(xiàn)原理圖如圖5所示。

圖5 NVE公司IL710實現(xiàn)原理框圖

電容耦合隔離器件

電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體(二氧化硅)，即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩(wěn)定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態(tài)電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質(zhì)材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優(yōu)勢是效率高，無論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實現(xiàn)低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能。抗干擾性則使得器件可以在飽和或密集磁場環(huán)境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現(xiàn)低阻抗而對噪聲呈現(xiàn)高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數(shù)據(jù)。

TI公司的ISO72x系列數(shù)字隔離器采用電容耦合技術(shù)。電容耦合解決方案使用了經(jīng)過驗證的低成本制造工藝，能夠提供固有的抗磁場干擾特性。ISO72x使用“AC”與“DC”兩種通道進行通信，如圖6所示。“AC”通道不經(jīng)過編碼，而是經(jīng)單端至差分轉(zhuǎn)換后直接通過隔離層傳輸數(shù)據(jù)。差分信號傳輸?shù)膬?yōu)點是可抑制接收機的共模噪聲。共模抑制與耦合介質(zhì)(對噪聲呈現(xiàn)高阻抗，對高頻數(shù)據(jù)呈現(xiàn)低阻抗)共同實現(xiàn)了瞬態(tài)抗干擾功能。“DC”通道將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制(PWM)格式，并使用差分方式通過隔離層傳輸數(shù)據(jù)。PWM與隔離層接收側(cè)的脈寬解調(diào)器(PWD)可確保穩(wěn)態(tài)條件(1或0的長字符串)下能夠正確通信。此外，“DC”通道還可提供自動防護功能。自動防護指的是在出現(xiàn)輸入故障的情況下對輸出狀態(tài)的判斷。ISO72x系列器件使用載波檢測功能來確定輸入結(jié)構(gòu)的電源是否處于“開啟”以及該結(jié)構(gòu)是否正在運行。如果該載波檢測器在4ms內(nèi)未檢測到脈沖，則會將輸出設置為邏輯高電平。

圖6 TI公司ISO72X系列實現(xiàn)原理框圖

各類數(shù)字隔離器件性能比較

表1對各類數(shù)字隔離器件的性能指標進行了歸納比較，供研發(fā)設計師在設計產(chǎn)品時參考。各公司的隔離器件只要通道數(shù)相同，都采用相同的封裝，引腳相互兼容，僅有部分引腳定義稍有差異，大多數(shù)情況下都可相互替換。產(chǎn)品設計師可根據(jù)具體需要選擇不同公司的產(chǎn)品，也可在調(diào)試時更換，給產(chǎn)品設計留下了更多的選擇空間。

應用實例

ADuM1100應用

某便攜產(chǎn)品設計時收發(fā)模塊需向信號處理模塊提供0、1電平的狀態(tài)線1根和40MHz方波時鐘，系統(tǒng)要求信號處理模塊需對這兩根信號線進行隔離接收。最初設計時選用了安華高公司的光電隔離器HCPL-063實現(xiàn)狀態(tài)線的隔離，NVE公司的IL710實現(xiàn)時鐘的隔離。改進設計時，電路板不變，充分利用ADI公司ADuM系列隔離器件的直流校正功能，直接用ADuM1100替代HCPL-063和IL710，實驗結(jié)果性能良好。當然，也可用TI公司的ISO721替代。若電路板重新設計，則可選用雙通道具有直流校正功能的隔離器件，如ADI公司的ADuM1200或TI公司的ISO7220，來替代單通道的HCPL-063和IL710器件。

ADuM5241應用

某通信設備的控制模塊需與外部設備通過RS-422異步串口進行通信，系統(tǒng)要求通信設備的控制模塊內(nèi)異步串口需與其它電路進行隔離。開始設計時，選用TI公司的隔離電源轉(zhuǎn)換芯片DCR01，將內(nèi)部一路+5V電源轉(zhuǎn)換成一路單獨+5V，給隔離芯片IL712和電平轉(zhuǎn)換芯片RS422供電，隔離所需電源的電流大約為5mA。改進設計時，由于ADI公司的ADuM5241除了實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離作用外，還內(nèi)置了DC/DC轉(zhuǎn)換器，能向該芯片隔離端提供電源，并向采用5V電源的各種應用提供高達10mA的電流。故采用ADuM5241器件代替DCR01和IL712器件，實現(xiàn)了同樣的功能，同時節(jié)約了空間，減少了器件，降低了成本。

結(jié)語

隨著數(shù)字電路和通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)字隔離器件得到了廣泛的應用。本文介紹了最新幾種數(shù)字隔離技術(shù)及器件的工作原理和優(yōu)缺點，電路設計師可根據(jù)具體的電路特點，選擇合適的數(shù)字隔離器件?！?/p>

參考文獻

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7. TI公司. ISO72X手冊.SLLS629B.pdf, 2006年5月

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