什么是數字隔離器件

數字隔離技術常用于工業網絡環境的現場總線、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環境比較惡劣的場合。數字隔離電路主要用于數字信號和開關量信號的傳輸。使用隔離電路的一個首要原因是為了消除噪聲。另一個重要原因是保護器件（或人）免受高電壓的危害。廠商的產品手冊中所列出的隔離等級（isolation rating）應符合美國保險商實驗室 （UL 1577）、國際電工委員會 （IEC 60747-5-2、IEC 61010-1）以及加拿大標準協會 （CSA Component Acceptance Notice 5A） 制定的有關隔離器標準。

數字隔離器件的分類

1、光電耦合器

光耦合器（optical coupler）也叫光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件。發光器（紅外線發光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）被封裝在同一管殼內，當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優點，在數字電路上獲得了廣泛的應用。其電路結構相對較為簡單，主要由砷化帶紅外發光二極管和用作檢測器的光敏二極管或三極管組成，有些產品在光敏二極管或三極管的后級添加一些處理電路，使其特性適合于一些特殊的應用或實現一些標準接口。

2、電感式隔離器件

電感耦合使用不斷變化的磁場來通過隔離層實現通信。電感耦合的優勢之一是可以在不明顯降低差模信號的情況下最小化變壓器的共模噪聲。另一個優勢是信號能量的轉換效率極高，因而可以實現低功耗隔離器。缺點之一是易受外部磁場（噪聲）的干擾。

根據對數字信號編解碼的不同，主要有以采用脈沖調制（ADI公司）和射頻調制（芯科實驗室）為主的兩類產品。而采用巨磁電阻（GMR）效應技術設計的數字隔離器件是另一個例子，以NVE公司和安華高公司為代表。

3、脈沖調制變壓器隔離器件

ADI公司的iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調制方式實現的數字隔離器件。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電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。晶片級信號處理提供了一種在單顆芯片中集成多個隔離通道以及其它半導體功能的低成本方法。iCoupler技術消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90%，并且無需外部驅動器或分立器件。

ADI公司ADuM1100器件原理框圖如圖所示。

4、射頻調制變壓器隔離器件

芯科實驗室公司是采用射頻調制變壓器技術研發生產數字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構為基礎，利用標準全CMOS工藝制造多組芯片級變壓器，能夠提供整合度最高的4通道隔離功能。產品中采用的射頻編碼和譯碼機制使得不需要特別考慮或初始設定，就能提供可靠的隔離數據路徑。芯科實驗室公司產品的優點與ADI公司的產品類似，但也有一個很明顯的缺點。由于采用射頻調制，內部有2.1GHz的載波產生及檢測，載波和諧波會對外界產生電磁輻射，不過電磁輻射值滿足FCC（美國通信委員會）標準要求。

5、電容耦合隔離器件

電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質絕緣體（二氧化硅），即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優勢是效率高，無論在體積、能量轉換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實現低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能。抗干擾性則使得器件可以在飽和或密集磁場環境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高于可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗而對噪聲呈現高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數據。

數字隔離器件有什么優勢和劣勢

1、兼容性

各公司的隔離器件只要通道數相同，都采用相同的封裝，引腳相互兼容，僅有部分引腳定義稍有差異，大多數情況下都可相互替換。產品設計師可根據具體需要選擇不同公司的產品，也可在調試時更換，給產品設計留下了更多的選擇空間。

2、PCB體積更小

使用數字隔離器件，相比光藕，占比PCB的面積會小很多；

下圖是使用4個光藕的PCB面積

下圖是使用隔離器件的PCB面積，可以看到面積減小一半;

3、成本更低

在一些高速應用的場合，比如150k速率以上，使用數字隔離器件的采購成本會相對比較低；如果對價格敏感，可選用國內品牌，比如納芯微（CMOS隔離工藝）和榮湃（電容隔離工藝）

4、外圍電路簡單

使用數字隔離器件，外圍電路只需要在器件VDD端增加一個電容，外圍器件相對光電耦合器簡單

5、專利問題需要考慮

使用國內品牌的數字隔離器件，需要考慮專利侵權問題，不過好在大多隔離器件是PIN to PIN兼容的，臨時替換起來也相對容易。

數字隔離器件在功率計量芯片中的應用

數字隔離器件隔離電壓一般有3KV或6KV，光藕隔離器的隔離電壓3.75KV，在一般的工業應用場景中，可以選用3KV的數字隔離器件，使用成本上會低一些。

以下推薦的隔離器件，同樣也可以選用國外TI、ADI等廠家的品牌，一般是PIN TO PIN 兼容的。

功率計量芯片HLW8012

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