淺談數(shù)字隔離器件的選型與應(yīng)用
引言
數(shù)字隔離技術(shù)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)總線、軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子設(shè)備中，尤其是一些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合。數(shù)字隔離電路主要用于數(shù)字信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)的傳輸。使用隔離電路的一個(gè)首要原因是為了消除噪聲。另一個(gè)重要原因是保護(hù)器件（或人）免受高電壓的危害。廠商的產(chǎn)品手冊(cè)中所列出的隔離等級(jí)（isolation rating）應(yīng)符合美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 （UL 1577）、國(guó)際電工委員會(huì) （IEC 60747-5-2、IEC 61010-1）以及加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) （CSA Component Acceptance Notice 5A） 制定的有關(guān)隔離器標(biāo)準(zhǔn)。
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(shí)驗(yàn)室（Silicon Laboratories）等公司，各廠商的產(chǎn)品都得到了廣泛的應(yīng)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(xué)、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(fèi)設(shè)備、工業(yè)控制、軍用、航空航天等多個(gè)級(jí)別供用戶選擇。
各類數(shù)字隔離器件的工作原理及特點(diǎn)
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(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)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(dǎo)體管）被封裝在同一管殼內(nèi)，當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)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(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得了廣泛的應(yīng)用。其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，主要由砷化鎵紅外發(fā)光二極管和用作檢測(cè)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(jí)添加一些處理電路，使其特性適合于一些特殊的應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)久以來(lái)一直用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，電氣層接口的早期參考設(shè)計(jì)中通常包括光耦合器。其主要優(yōu)勢(shì)是光線具有抗外部電磁場(chǎng)干擾的固有特性，而且光耦合可實(shí)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(shí)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(zhǎng)的應(yīng)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(jìn)步和研發(fā)設(shè)計(jì)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(yùn)用。
電感耦合使用不斷變化的磁場(chǎng)來(lái)通過(guò)隔離層實(shí)現(xiàn)通信。電感耦合的優(yōu)勢(shì)之一是可以在不明顯降低差模信號(hào)的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換效率極高，因而可以實(shí)現(xiàn)低功耗隔離器。缺點(diǎn)之一是易受外部磁場(chǎng)（噪聲）的干擾。馬達(dá)控制等工業(yè)應(yīng)用在磁場(chǎng)環(huán)境中通常需要隔離。電感耦合另一個(gè)值得關(guān)注的問題是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)游程長(zhǎng)度（Data run-length，連續(xù)“1”或“0”的數(shù)目）的傳輸。初級(jí)繞組與次級(jí)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(hào)。數(shù)據(jù)游程長(zhǎng)度的限制或時(shí)鐘編碼要求信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理才能傳輸并重建數(shù)字信號(hào)，以及傳輸代表一長(zhǎng)串“1”或“0”的低頻信號(hào)，甚至直流電平。
變壓器是一個(gè)最常見的例子：初級(jí)繞組及次級(jí)繞組的結(jié)構(gòu)（單位長(zhǎng)度的圈數(shù)）、磁芯介電常數(shù)以及電流強(qiáng)度決定了磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)對(duì)數(shù)字信號(hào)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(shí)驗(yàn)室）為主的兩類產(chǎn)品。而采用巨磁電阻（GMR）效應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字隔離器件是另一個(gè)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(shí)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(gè)變壓器及其外部信號(hào)之間提供接口。晶片級(jí)信號(hào)處理提供了一種在單顆芯片中集成多個(gè)隔離通道以及其它半導(dǎo)體功能的低成本方法。iCoupler技術(shù)消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90%，并且無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件。
數(shù)字信號(hào)的傳送是通過(guò)發(fā)送大約1ns寬的短脈沖到變壓器另一端來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)連續(xù)的短脈沖表示一個(gè)上升沿，單個(gè)短脈沖表示下降沿。信號(hào)傳送框圖如圖2所示。次級(jí)端有一個(gè)不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測(cè)脈沖。如果檢測(cè)到兩個(gè)脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測(cè)到單個(gè)脈沖，輸出就置為低電平。采用一個(gè)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(cè)到信號(hào)邊緣，發(fā)送刷新脈沖信號(hào)給變壓器來(lái)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(gè)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(gè)短脈沖刷新。這對(duì)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(bǔ)充驅(qū)動(dòng)器端的刷新電路，在接收器端采用了一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器來(lái)保證在沒有檢測(cè)到刷新脈沖時(shí)，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。[!--empirenews.page--]
圖2 ADI公司iCoupler系列數(shù)字信號(hào)傳輸框圖
圖3 ADI公司ADuM1100器件原理框圖
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