剖析數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)勢

　　數(shù)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(yōu)勢。

　　多年來，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數(shù)字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優(yōu)勢。了解數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵要素的特點(diǎn)及其相互關(guān)系，對于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個(gè)要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。

　　設(shè)計(jì)人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在盡可能減小不利影響的同時(shí)滿足安全要求。

　　傳統(tǒng)隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響，功耗極高，而且數(shù)據(jù)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(shù)字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關(guān)的不利影響。數(shù)字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節(jié)省成本和功耗，同時(shí)大大提高數(shù)據(jù)速率。數(shù)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(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的選擇應(yīng)以克服上述不利影響為目的。所有三個(gè)要素必須互相配合以平衡設(shè)計(jì)目標(biāo)，但有一個(gè)目標(biāo)必須不折不扣地實(shí)現(xiàn)，那就是符合安全法規(guī)。

　　絕緣材料

　　數(shù)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(biāo)準(zhǔn)材料會使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)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(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ)，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

圖1. (a) 帶厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器，電流脈沖產(chǎn)生磁場，在另一個(gè)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(shù)據(jù)耦合到隔離柵的另一端。

　　表1. 基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提供最佳的隔離特性

　　安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)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(biāo)準(zhǔn)也會規(guī)定更短的持續(xù)時(shí)間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續(xù)50 μs)作為增強(qiáng)絕緣認(rèn)證的一部分要求。基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提高最佳的隔離特性，如表1所示。

　　基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時(shí)壽命更長?；赟iO2的隔離器對浪涌的防護(hù)能力相對較弱，不能用于醫(yī)療和其他應(yīng)用。

　　各種薄膜的固有應(yīng)力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力低于SiO2薄膜，可以根據(jù)需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限；超過15 μm時(shí)，應(yīng)力可能會導(dǎo)致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層。基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器可以使用厚達(dá)26 μm的隔離層。

　　隔離器結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字隔離器使用變壓器或電容將數(shù)據(jù)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光。

　　如圖1所示，變壓器電流脈沖通過一個(gè)線圈，形成一個(gè)很小的局部磁場，從而在另一個(gè)線圈生成感應(yīng)電流。電流脈沖很短(1 ns)，因此平均電流很低。

　　變壓采用差分連接，提供高達(dá)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依賴性也弱于容性耦合對板間距離的依賴性，因此，變壓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(jié)合聚酰亞胺薄膜的低應(yīng)力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實(shí)現(xiàn)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(bǔ)，但這會增大尺寸并提高成本。

　　電容的優(yōu)勢之一是它使用低電流來產(chǎn)生耦合電場。當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高時(shí)(25 Mbps以上)，這一優(yōu)勢就相當(dāng)明顯。

　　數(shù)據(jù)傳輸方法

　　光耦合器使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁綦x柵的另一端：LED點(diǎn)亮?xí)r表示邏輯高電平，熄滅時(shí)表示邏輯低電平。當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，光耦合器需要消耗電能；對于關(guān)注功耗的應(yīng)用，光耦合器不是一個(gè)好的選擇。多數(shù)光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調(diào)理留給設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)，而這并不一定是非常簡單的工作。

　　數(shù)字隔離器使用更先進(jìn)的電路來編碼和解碼數(shù)據(jù)，支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復(fù)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(qū)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?yàn)椴幌窆怦詈掀?，電源無需連續(xù)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(shù)據(jù)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(diào)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(xù)RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因?yàn)檫壿嫺唠娖叫盘栃枰掷m(xù)消耗電能。

　　也可以采用差分技術(shù)來提供共模抑制，不過，這些技術(shù)最好配合變壓器等差分元件使用。

　　選擇正確的組合

　　數(shù)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(yōu)勢。在數(shù)字隔離器領(lǐng)域，不同的絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法組合造就不同的產(chǎn)品，而不同的產(chǎn)品適合不同的具體應(yīng)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(yīng)用，但醫(yī)療保健和重工業(yè)設(shè)備等要求最嚴(yán)格的應(yīng)用受益最大。為了實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(jié)合差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。