數字隔離技術簡介

多年來
，工業、醫療和其他隔離係統的設計人員實現安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方麵均有優勢。了解數字隔離器三個關鍵要素的特點及其相互關係
，對於正確選擇數字隔離器十分重要。這三個要素是：絕緣材料、結構和數據傳輸方法。

設she計ji人ren員yuan之zhi所suo以yi引yin入ru隔ge離li

，是shi為wei了le滿man足zu安an全quan法fa規gui或huo者zhe降jiang低di接jie地di環huan路lu的de噪zao聲sheng等deng。電dian流liu隔ge離li確que保bao數shu據ju傳chuan輸shu不bu是shi通tong過guo電dian氣qi連lian接jie或huo泄xie漏lou路lu徑jing
，從cong而er避bi免mian安an全quan風feng險xian。然ran而er
，隔ge離li會hui帶dai來lai延yan遲chi

、功耗、成本和尺寸等方麵的限製。數字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。

傳統隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響，功耗極高，而且數據速率低於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。

數字隔離器問世於10多年前
，目的是降低光耦合器相關的不利影響。數字隔離器采用基於CMOS的(de)電(dian)路(lu)，能(neng)夠(gou)顯(xian)著(zhu)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)和(he)功(gong)耗(hao)
，同(tong)時(shi)大(da)大(da)提(ti)高(gao)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)。數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)由(you)上(shang)述(shu)要(yao)素(su)界(jie)定(ding)。絕(jue)緣(yuan)材(cai)料(liao)決(jue)定(ding)其(qi)固(gu)有(you)的(de)隔(ge)離(li)能(neng)力(li)

，所(suo)選(xuan)材(cai)料(liao)必(bi)須(xu)符(fu)合(he)安(an)全(quan)標(biao)準(zhun)。結(jie)構(gou)和(he)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)方(fang)法(fa)的(de)選(xuan)擇(ze)應(ying)以(yi)克(ke)服(fu)上(shang)述(shu)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)為(wei)目(mu)的(de)。所(suo)有(you)三(san)個(ge)要(yao)素(su)必(bi)須(xu)互(hu)相(xiang)配(pei)合(he)以(yi)平(ping)衡(heng)設(she)計(ji)目(mu)標(biao)
，但(dan)有(you)一(yi)個(ge)目(mu)標(biao)必(bi)須(xu)不(bu)折(zhe)不(bu)扣(kou)地(di)實(shi)現(xian)
，那(na)就(jiu)是(shi)符(fu)合(he)安(an)全(quan)法(fa)規(gui)。

隔離器結構

數字隔離器使用變壓器或電容將數據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。

變 壓采用差分連接，提供高達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(ci)性(xing)耦(ou)合(he)對(dui)變(bian)壓(ya)器(qi)線(xian)圈(quan)間(jian)距(ju)離(li)的(de)依(yi)賴(lai)性(xing)也(ye)弱(ruo)於(yu)容(rong)性(xing)耦(ou)合(he)對(dui)板(ban)間(jian)距(ju)離(li)的(de)依(yi)賴(lai)性(xing)
，因(yin)此(ci)，變(bian)壓(ya)變(bian)壓(ya)器(qi)線(xian)圈(quan)之(zhi)間(jian)的(de)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)可(ke)以(yi)更(geng)厚(hou)，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)隔(ge)離(li)能(neng) 力。結合聚酰亞胺薄膜的低應力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實現高級隔離性能。
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，但這會增大尺寸並提高成本。

電容的優勢之一是它使用低電流來產生耦合電場。當數據速率較高時(25 Mbps以上)，這一優勢就相當明顯。

絕緣材料

數字隔離器采用晶圓CMOS工藝製造，僅限於常用的晶圓材料。非標準材料會使生產複雜化，導致可製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
，它可以旋塗成薄膜)和二氧化矽(SiO2)。二(er)者(zhe)均(jun)具(ju)有(you)眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)的(de)絕(jue)緣(yuan)特(te)性(xing)，並(bing)且(qie)已(yi)經(jing)在(zai)標(biao)準(zhun)半(ban)導(dao)體(ti)工(gong)藝(yi)中(zhong)使(shi)用(yong)多(duo)年(nian)。聚(ju)合(he)物(wu)是(shi)許(xu)多(duo)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)基(ji)礎(chu)，作(zuo)為(wei)高(gao)壓(ya)絕(jue)緣(yuan)體(ti)具(ju)有(you)悠(you)久(jiu)的(de)曆(li)史(shi)。

安全標準通常規定1分鍾耐壓額定值(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)。某些標準也會規定更短的持續時間、更高的電壓(如10 kV峰值並持續50 μs)作為增強絕緣認證的一部分要求。基於聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提高最佳的隔離特性
，如表1所示。

基於聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器相似
，在典型工作電壓時壽命更長。基於SiO2的隔離器對浪湧的防護能力相對較弱，不能用於醫療和其他應用。

各種薄膜的固有應力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應力低於SiO2薄膜，可以根據需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限;超過15 μm時，應力可能會導致晶圓在加工過程中開裂
，或者在使用期間分層。基於聚酰亞胺的數字隔離器可以使用厚達26 μm的隔離層。
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數字隔離器的浪湧測試

許多應用要求隔離危險電壓，以符合國際安全標準的要求。為了確保設備和操作人員的安全，這些標準往往要求隔離元件(如數字隔離器或光耦合器)能承受10 kV(峰值)以上的高壓浪湧。因此，測試隔離器浪湧性能是開發安全、可靠器件的必要環節。

國 際電工委員會(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個組織出版的標準就隔離技術在醫療、工業
、消費以及汽車等係統中的係統級和元件級應用進行了規定。為了確保在出現高壓浪 湧時人員和設備的安全
，這些標準根據具體應用所需要的隔離等級規定了不同的浪湧額定值。

共有三類常見的隔離等級：功能隔離、基ji本ben隔ge離li和he增zeng強qiang隔ge離li。功gong能neng隔ge離li僅jin有you少shao量liang安an全quan要yao求qiu，因yin為wei它ta一yi般ban隻zhi用yong於yu要yao求qiu隔ge離li接jie地di基ji準zhun電dian壓ya的de場chang合he，以yi保bao證zheng電dian路lu能neng正zheng常chang工gong作zuo。可ke見jian
，安an全quan性xing和he浪lang湧yong性xing能neng並bing不bu是shi功gong能neng隔ge離li的de主zhu要yao考kao慮lv因yin素su。

然 而er，安an全quan性xing卻que是shi基ji本ben隔ge離li和he增zeng強qiang隔ge離li的de主zhu要yao考kao慮lv因yin素su，因yin此ci，浪lang湧yong電dian平ping是shi確que定ding隔ge離li質zhi量liang的de關guan鍵jian。基ji本ben隔ge離li可ke以yi保bao護hu終zhong端duan設she備bei用yong戶hu，使shi其qi免mian受shou電dian擊ji
，增zeng強qiang隔ge離li是shi一yi種zhong單dan dudegelixitong
，qitigongdebaohunenglixiangdangyulianggerongyudedangehuojibengelixitong。yiliaohegongyeyingyongyibanyaoqiuzengqianggeli，yibaohubingrenhezhongduanyonghu，shiqimianshouzhimingxingdianjideying 響。VDE針對數字隔離器的增強隔離標準是VDE 0884-10，規定最小浪湧電壓(VIOSM)額定值為10 kV，同時對工作電壓(VIORM)和耐受電壓(VISO)作出了規定。

數字隔離器的浪湧電壓額定值規定的是在經受連續短暫高壓脈衝之後的抗衝擊能力。圖1所示為符合IEC 61000-4-5的浪湧波形的時序特性。

測 試時
，把設備放在一個測試板上，使隔離柵兩端的所有引腳短路(見圖2)。將一個高壓脈衝發生器通過一個1000Ω/1000 pF網絡連接到隔離柵的一端。發生器回路連接到隔離柵另一端。將一個100 kΩ
、2.5 W的電阻跨接於隔離柵上
，以便施加各個脈衝之後使電路放電。用一個帶1000:1高壓探頭的示波器監控脈衝。將放電槍設置為測試計劃規定的最低電壓，示波 器設為單次觸發。在該電壓電平下施加10個脈衝，並用示波器對各個脈衝進行監控。通過驟降脈衝幅度(在不到50 μs的時間內下降到50%)可發現隔離柵中的缺口。如果部件可以承受10個脈衝，則提高放電槍電壓，再施加10個脈衝。持續進行
，直到隔離柵發生故障為 止，或者直到達到最大測試電壓為止。

能否通過該測試主要取決於隔離厚度(亦稱為隔離距離，縮寫為DTI)yijigelicailiaodezhiliang。yingyongdedianchangwangwangzaijueyuantineibudequexiandianjuji
，yinci，jiaodidequexianmiduyibanhuidailaijiaogaodejichuanedingzhi。jiaohoudecailiaoduijichuandekangjinengligengqiang，yinweichangqiangyujueyuantirenyiduandedaotizhijiandejulichengfanbi。

數據傳輸方法

光耦合器使用LED發出的光將數據傳輸到隔離柵的另一端：LED點亮時表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當LED點亮時

，光耦合器需要消耗電能;對於關注功耗的應用，光耦合器不是一個好的選擇。多數光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調理留給設計人員實現，而這並不一定是非常簡單的工作。

數字隔離器使用更先進的電路來編碼和解碼數據，支持更快的數據傳輸速度，能夠處理USB和I2C等複雜的雙向接口。

一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈衝或單脈衝，以驅動變壓器(圖2)。這些脈衝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，因為不像光耦合器
，電源無需連續提供給器件。器件中可以包括刷新電路
，以便定期更新直流電平。

另一種方法是使用RF調製信號

，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RF傳輸。這種方法的功耗高於脈衝方法，因為邏輯高電平信號需要持續消耗電能。

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

以上我們解釋了數字隔離器的隔離要素及數字隔離器的浪湧測試，下麵我們將為大家帶來模擬隔離的技術及應用。

模擬信號隔離

在很多係統中，模擬信號必須隔離。模擬信號所考慮的電路參量完全不同於數字信號。

模擬信號通常先要考慮：精度或線性度
、頻率響應、噪聲等。然後是對電源的要求，電源要求高隔離、高精度
、低di噪zao聲sheng，特te別bie是shi對dui輸shu入ru級ji。也ye應ying該gai關guan注zhu隔ge離li放fang大da器qi的de基ji本ben精jing度du或huo線xian性xing度du不bu能neng依yi靠kao相xiang應ying的de應ying用yong電dian路lu來lai改gai善shan，但dan這zhe些xie電dian路lu可ke降jiang低di噪zao聲sheng和he降jiang低di輸shu入ru級ji電dian源yuan要yao求qiu。

對於電源噪聲的幹擾，可以采用調製載波使模擬信號跨越這個屏障。如ISO4-20的(de)兩(liang)線(xian)無(wu)源(yuan)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)放(fang)大(da)器(qi)使(shi)模(mo)擬(ni)隔(ge)離(li)簡(jian)化(hua)。輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)被(bei)占(zhan)空(kong)度(du)調(tiao)製(zhi)並(bing)以(yi)數(shu)字(zi)方(fang)式(shi)發(fa)送(song)跨(kua)過(guo)屏(ping)障(zhang)。輸(shu)出(chu)部(bu)分(fen)接(jie)收(shou)被(bei)調(tiao)製(zhi)的(de)信(xin)號(hao)，把(ba)它(ta)變(bian)換(huan)回(hui)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)並(bing)去(qu)掉(diao)調(tiao)製(zhi)/解調過程中固有的紋波成分。

duixinhaogelidelingyiwentishigelifangdaqishurujisuoxudegonghao
，ergelifangdaqideshuruzukangjizishendedengxiaodianzushiwentideguanjiansuozai。ershuchujitongchangyijikehuodiweijizhun，shurujitongchangfudongzailingyigedianweishang。yinci，shurujidedianyuanyebixugeli。tongchangyongyigedandianyuan(5V/12V/15V/24V)，而不是理想中使用的正、負雙電源。

以下我們舉例來說明模擬隔離技術

精密隔離放大器采用占空比調製法，將儀表放大器的輸出信號通過一個電容隔離屏障做傳送。隔離放大器能夠達到最大1500V的隔離作用。這個隔離器件的輸入信號帶寬大約為50 kHz，最小電源需求為±4V。封裝采用28腳的PDIP或SOIC。


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