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CMOSdedianlu，nenggouxianzhujieshengchengbenhegonghao

，tongshidadatigaoshujusulv。shuzigeliqiyoushangshuyaosujieding。jueyuancailiaojuedingqiguyoudegelinengli
，suoxuancailiaobixufuheanquanbiaozhun。jiegouheshujuchuanshufangfadexuanzeyingyikefushangshubuliyingxiangweimude。suoyousangeyaosubixuhuxiangpeiheyipinghengshejimubiao，danyouyigemubiaobixubuzhebukoudishixian
，najiushifuheanquanfagui。

 

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供最佳的隔離特性，如表1所示。

 

表1. 基於聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提供最佳的隔離特性

 

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。

 

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發出的光。

 

如圖1所示，變壓器電流脈衝通過一個線圈，形成一個很小的局部磁場
，從而在另一個線圈生成感應電流。電流脈衝很短(1 ns)，因此平均電流很低。

 

圖1. 帶厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器，電流脈衝產生磁場，在另一個線圈中感生電流(左圖)； 帶薄SiO2絕緣層的電容，利用低電流電場將數據耦合到隔離柵的另一端(右圖)

 

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)。磁性耦合對變壓器線圈間距離的依賴性也弱於容性耦合對板間距離的依賴性， 因此，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。

 

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。

 

圖2：一種數據傳輸方法是將邊沿編碼為單脈衝或雙脈衝

 

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。

 

選擇正確的組合

 

數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方麵具有光耦合器所無法比擬的巨大優勢。在數字隔離器領域，不同的絕緣材料、結(jie)構(gou)和(he)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)方(fang)法(fa)組(zu)合(he)造(zao)就(jiu)不(bu)同(tong)的(de)產(chan)品(pin)，而(er)不(bu)同(tong)的(de)產(chan)品(pin)適(shi)合(he)不(bu)同(tong)的(de)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)。如(ru)上(shang)所(suo)述(shu)，基(ji)於(yu)聚(ju)合(he)物(wu)的(de)材(cai)料(liao)提(ti)供(gong)最(zui)魯(lu)棒(bang)的(de)隔(ge)離(li)能(neng)力(li)
，這(zhe)種(zhong)材(cai)料(liao)幾(ji)乎(hu)適(shi)合(he)所(suo)有(you)應(ying)用(yong)
，但(dan)醫(yi)療(liao)保(bao)健(jian)和(he)重(zhong)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)等(deng)要(yao)求(qiu)最(zui)嚴(yan)格(ge)的(de)應(ying)用(yong)受(shou)益(yi)最(zui)大(da)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)最(zui)魯(lu)棒(bang)的(de)隔(ge)離(li)，聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)厚(hou)度(du)可(ke)以(yi)超(chao)過(guo)對(dui)電(dian)容(rong)而(er)言(yan)的(de)合(he)理(li)厚(hou)度(du)；因(yin)此(ci)

，基(ji)於(yu)電(dian)容(rong)的(de)隔(ge)離(li)最(zui)適(shi)合(he)不(bu)需(xu)要(yao)安(an)全(quan)隔(ge)離(li)的(de)功(gong)能(neng)隔(ge)離(li)應(ying)用(yong)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，基(ji)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)隔(ge)離(li)可(ke)能(neng)是(shi)最(zui)合(he)理(li)的(de)，特(te)別(bie)是(shi)結(jie)合(he)差(cha)分(fen)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)方(fang)法(fa)，以(yi)便(bian)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)差(cha)分(fen)特(te)性(xing)。

 

 

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