作者：Tan, Yuan
各類隔離器是我們在做系統(tǒng)設計時常常會談及的話題，這篇文章將從以下三個方面展開介紹：
為什么需要隔離？
不同的隔離技術(shù)有什么不同？
有哪些隔離器件選型參數(shù)？
為什么需要隔離？
答案是隔離與可靠保護有關(guān)。電隔離是一種電路設計技術(shù)，允許兩個電路進行通信，可消除在它們之間流動的任何不需要的直流電。
隔離常用于：
保護操作人員和低壓電路免受高電壓影響。
防止通信子系統(tǒng)之間的地電位差。
改善抗噪性能。
圖1 隔離跨電介質(zhì)隔離層阻止不需要的直流電和交流電
不同的隔離技術(shù)有什么不同？
絕緣技術(shù)三個要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。設計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，從而避免安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。
我們先看看絕緣材料的影響：
表1 常見絕緣材料
此表列舉了常見的絕緣材料和對應的隔離能力（Vrms/um）。光耦器件對材料透光性的要求，使得多選用空氣（Air）和環(huán)氧樹脂（epoxies）作為隔離材料。聚酰亞胺（polymide）多為磁隔產(chǎn)品選用。而容隔器件則選用絕緣強度最優(yōu)的二氧化硅（SiO2）材料。
隔離材料的選用會影響到器件的體積，如下是實拍對比圖，對比了TI的容隔產(chǎn)品ISO系列和市面上常見的光耦隔離器件，可以看到容隔器件有明顯的體積優(yōu)勢。
同時，相較于聚酰亞胺（polymide）,二氧化硅（ SiO2）的可靠性不會因為在潮濕環(huán)境工作而受到影響。
我們再從電路結(jié)構(gòu)來看，三種隔離方式的電路結(jié)構(gòu)如下圖：
圖3.1 光耦器件電路
圖3.2 磁隔器件電路
圖3.3 容隔器件電路
我們可以看到，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發(fā)出的光。這使得光耦方案的靜態(tài)電流，數(shù)據(jù)傳輸延遲，CMTI等性能都會較差。磁隔是通過變壓器電流脈沖通過一個線圈，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。電磁感應的原理使得磁隔產(chǎn)品在不佳的電磁工作環(huán)境中出現(xiàn)噪聲干擾的可能性更大。而容隔產(chǎn)品是利用低電流電場將數(shù)據(jù)耦合到隔離柵的另一端，抗干擾性更強。
最后我們看看數(shù)據(jù)傳輸方式帶來的影響。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；對于關(guān)注功耗的應用，光耦合器不是一個好的選擇。
磁隔產(chǎn)品常用的數(shù)據(jù)傳輸方式，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。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，因為不像光耦合器，無需連續(xù)提供電源給器件。這也解釋了為什么磁隔產(chǎn)品的功耗和數(shù)據(jù)速率成線性關(guān)系。
TI的容隔產(chǎn)品多采用on-off keying(OOK)調(diào)制方式，發(fā)送器發(fā)送一個高頻信號代表一種數(shù)字狀態(tài)，不發(fā)送信號代表另一種數(shù)字狀態(tài)。經(jīng)過信號調(diào)理后通過緩沖器發(fā)出。容隔器件的功耗基本不隨傳輸數(shù)據(jù)速率的變化而改變。
圖4 容隔器件的概念框圖
圖5 ON-OFF keying(OOK)調(diào)制
有哪些隔離選型參數(shù)？
這里列舉了大家常在數(shù)據(jù)手冊中看到的參數(shù)，做了解釋。更詳細的參數(shù)含義可以參考這個鏈接：http://www.ti.com/lit/pdf/slyy063
表2隔離器件選型常見參數(shù)
這里不一一展開，我們來重點看一下creepage，clearance和DIT(Distance Through Insulation）這三個容易混淆的距離參數(shù)的含義。如下圖所示，clearance是兩側(cè)引腳通過空氣的最短距離，creepage是兩側(cè)引腳通過隔離材料表面的最短距離，DTI是通過導電體之間的隔離填充材料的最短距離。可以說，DIT指的是內(nèi)部距離，creepage和clearance指的是外部距離。
圖6 clearance, creepage, DTI示意圖（依次）
需要提醒的是，數(shù)據(jù)手冊的爬電距離參數(shù)的對象芯片，如果系統(tǒng)中有更短通路，那么這個更短距離才是這個電路的隔離爬電距離。這里舉個例子，下圖將兩顆超寬封裝ISO7841DWW（creepage是14mm）串聯(lián)工作，是否可以理解成該電路的爬電距離是28mm呢？答案是不可以。這是因為電路中除了數(shù)據(jù)傳輸通路還存在一個通路，即隔離電源電路。VCC1 和Viso2之間的爬電距離可能比D1和Diso2之間的爬電距離更短，而更短的距離值決定了電路的爬電距離值。
圖7 爬電距離電路示例
小結(jié)：
這篇文章從三個常見問題入手：
隔離器件的用途，討論了隔離與可靠保護有關(guān)。
主流隔離技術(shù)包括光隔、磁隔、容隔的不同點和背后的原因， 重點從絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法進行闡述和對比。
隔離器件選型的主要參數(shù)、含義和注意事項，重點討論了爬電距離的含義。
TI數(shù)字隔離器明星產(chǎn)品選型：
TI的數(shù)字隔離器產(chǎn)品采用的是容隔技術(shù)，性價比高，產(chǎn)品種類齊全，可以涵蓋對隔離等級、通道需求和爬電距離的諸多需求。
這里列舉ISO77xx和ISO78xx系列選型表方便參考：
圖8 TI的ISO77xx和ISO78xx選型對照表
相關(guān)鏈接：
improve your system performance by replacing optocouplers.pdf
how to replace optocouplrs with digital isolators in standards interface circuits.pdf
enabling high voltage signal isolation quality and reliability.pdf
distance through insulation- how digital isolators meet certification equirements.pdf
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