什么是數(shù)字隔離器件

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(kāi)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(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，主要由砷化帶紅外發(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。

2、電感式隔離器件

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。

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。

3、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(wèn)題，功耗降低了90%，并且無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件。

ADI公司ADuM1100器件原理框圖如圖所示。

4、射頻調(diào)制變壓器隔離器件

芯科實(shí)驗(yàn)室公司是采用射頻調(diào)制變壓器技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)數(shù)字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)全CMOS工藝制造多組芯片級(jí)變壓器，能夠提供整合度最高的4通道隔離功能。產(chǎn)品中采用的射頻編碼和譯碼機(jī)制使得不需要特別考慮或初始設(shè)定，就能提供可靠的隔離數(shù)據(jù)路徑。芯科實(shí)驗(yàn)室公司產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與ADI公司的產(chǎn)品類似，但也有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)。由于采用射頻調(diào)制，內(nèi)部有2.1GHz的載波產(chǎn)生及檢測(cè)，載波和諧波會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生電磁輻射，不過(guò)電磁輻射值滿足FCC（美國(guó)通信委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)要求。

5、電容耦合隔離器件

電容耦合使用不斷變化的電場(chǎng)來(lái)通過(guò)隔離層實(shí)現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體（二氧化硅），即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩(wěn)定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態(tài)電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質(zhì)材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優(yōu)勢(shì)是效率高，無(wú)論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場(chǎng)干擾方面均如此。這種高效特性使得實(shí)現(xiàn)低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能?？垢蓴_性則使得器件可以在飽和或密集磁場(chǎng)環(huán)境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點(diǎn)在于無(wú)差分信號(hào)，并且噪聲與信號(hào)共用同一條傳輸通道。這就要求信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗而對(duì)噪聲呈現(xiàn)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(shí)鐘編碼數(shù)據(jù)。

數(shù)字隔離器件有什么優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

1、兼容性

各公司的隔離器件只要通道數(shù)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(shù)情況下都可相互替換。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可根據(jù)具體需要選擇不同公司的產(chǎn)品，也可在調(diào)試時(shí)更換，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)留下了更多的選擇空間。

2、PCB體積更小

使用數(shù)字隔離器件，相比光藕，占比PCB的面積會(huì)小很多；

下圖是使用4個(gè)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(yīng)用的場(chǎng)合，比如150k速率以上，使用數(shù)字隔離器件的采購(gòu)成本會(huì)相對(duì)比較低；如果對(duì)價(jià)格敏感，可選用國(guó)內(nèi)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(jiǎn)單

使用數(shù)字隔離器件，外圍電路只需要在器件VDD端增加一個(gè)電容，外圍器件相對(duì)光電耦合器簡(jiǎn)單

5、專利問(wèn)題需要考慮

使用國(guó)內(nèi)品牌的數(shù)字隔離器件，需要考慮專利侵權(quán)問(wèn)題，不過(guò)好在大多隔離器件是PIN to PIN兼容的，臨時(shí)替換起來(lái)也相對(duì)容易。

數(shù)字隔離器件在功率計(jì)量芯片中的應(yīng)用

數(shù)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(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，可以選用3KV的數(shù)字隔離器件，使用成本上會(huì)低一些。

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

功率計(jì)量芯片HLW8012

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