淺談數字隔離器件的選型與應用

　　引言

　　數字隔離技術(shù)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的現場(chǎng)總線(xiàn)、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合。數字隔離電路主要用于數字信號和開(kāi)關(guān)量信號的傳輸。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)重要原因是保護器件(或人)免受高電壓的危害。廠(chǎng)商的產(chǎn)品手冊中所列出的隔離等級(isolationrating)應符合美國保險商實(shí)驗室(UL1577)、國際電工委員會(huì )(IEC60747-5-2、IEC61010-1)以及加拿大標準協(xié)會(huì )(CSAComponentAcceptanceNotice5A)制定的有關(guān)隔離器標準。

　　數字隔離器件的生產(chǎn)商很多，如安華高、TI、ADI、NVE(nonvolatileelectronicsInc)、芯科實(shí)驗室(SiliconLaboratories)等公司，各廠(chǎng)商的產(chǎn)品都得到了廣泛的應用。依照數字式隔離電路的生產(chǎn)工藝、電氣結構和傳輸原理，數字隔離電路主要分為光學(xué)、電感以及電容耦合技術(shù)的數字隔離器件。產(chǎn)品有消費設備、工業(yè)控制、軍用、航空航天等多個(gè)級別供用戶(hù)選擇。

　　各類(lèi)數字隔離器件的工作原理及特點(diǎn)

　　光電隔離器

　　光耦合器(opticalcoupler)也叫光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號的器件。發(fā)光器(紅外線(xiàn)發(fā)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(shí)發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，受光器接受光線(xiàn)之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)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(cháng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn)，在數字電路上獲得了廣泛的應用。其電路結構相對較為簡(jiǎn)單，主要由砷化鎵紅外發(fā)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(chǎn)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(shí)現一些標準接口。安華高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框圖如圖1所示。

　　光耦合長(cháng)久以來(lái)一直用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，電氣層接口的早期參考設計中通常包括光耦合器。其主要優(yōu)勢是光線(xiàn)具有抗外部電磁場(chǎng)干擾的固有特性，而且光耦合可實(shí)現穩態(tài)信息的傳輸。不足之處在于傳輸速度有限、功耗大并且發(fā)光二極管(LED)易受時(shí)間及溫度的影響而老化。

　　電感式隔離器

　　與光耦合一樣，電感耦合也有較長(cháng)的應用歷史，但通常僅用于電源或模擬隔離器，而非數字器件。但隨著(zhù)制造工藝的進(jìn)步和研發(fā)設計水平的提高，電感式數字隔離器件得到了迅速的發(fā)展和廣泛的運用。

　　電感耦合使用不斷變化的磁場(chǎng)來(lái)通過(guò)隔離層實(shí)現通信。電感耦合的優(yōu)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(gè)優(yōu)勢是信號能量的轉換效率極高，因而可以實(shí)現低功耗隔離器。缺點(diǎn)之一是易受外部磁場(chǎng)(噪聲)的干擾。馬達控制等工業(yè)應用在磁場(chǎng)環(huán)境中通常需要隔離。電感耦合另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是數字數據與數據游程長(cháng)度(Datarun-length，連續“1”或“0”的數目)的傳輸。初級繞組與次級繞組之間的耦合能夠以可接受的衰減量傳遞一定頻率范圍的信號。數據游程長(cháng)度的限制或時(shí)鐘編碼要求信號必須保持在變壓器的可用帶寬范圍內。使用電感耦合的通用數字隔離器需要對信號進(jìn)行處理才能傳輸并重建數字信號，以及傳輸代表一長(cháng)串“1”或“0”的低頻信號，甚至直流電平。

　　變壓器是一個(gè)最常見(jiàn)的例子：初級繞組及次級繞組的結構(單位長(cháng)度的圈數)、磁芯介電常數以及電流強度決定了磁場(chǎng)強度。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(shí)驗室)為主的兩類(lèi)產(chǎn)品。而采用巨磁電阻(GMR)效應技術(shù)設計的數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。

　　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(shí)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(xiàn)圈和底部線(xiàn)圈隔離。連接到頂部和底部線(xiàn)圈的高速CMOS電路為每個(gè)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(gè)隔離通道以及其它半導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(xiàn)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)需外部驅動(dòng)器或分立器件。

　　數字信號的傳送是通過(guò)發(fā)送大約1ns寬的短脈沖到變壓器另一端來(lái)實(shí)現的，兩個(gè)連續的短脈沖表示一個(gè)上升沿，單個(gè)短脈沖表示下降沿。信號傳送框圖如圖2所示。次級端有一個(gè)不可重復觸發(fā)的單穩態(tài)電路產(chǎn)生檢測脈沖。如果檢測到兩個(gè)脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測到單個(gè)脈沖，輸出就置為低電平。采用一個(gè)輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒(méi)有檢測到信號邊緣，發(fā)送刷新脈沖信號給變壓器來(lái)保證直流的正確性(直流校正功能)。如果輸入為高電平，就產(chǎn)生兩個(gè)連續的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產(chǎn)生單個(gè)短脈沖刷新。這對于上電狀態(tài)和具有低數據速率的輸入波形或恒定的直流輸入是很重要的。為了補充驅動(dòng)器端的刷新電路，在接收器端采用了一個(gè)監視定時(shí)器來(lái)保證在沒(méi)有檢測到刷新脈沖時(shí)，輸出處于一種故障安全狀態(tài)。ADI公司ADuM1100器件原理框圖如圖3所示。

　　射頻調制變壓器隔離器件

　　芯科實(shí)驗室公司是采用射頻調制變壓器技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)數字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專(zhuān)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(chǎn)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(shí)驗室公司產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與ADI公司的產(chǎn)品類(lèi)似，但也有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)。由于采用射頻調制，內部有2.1GHz的載波產(chǎn)生及檢測，載波和諧波會(huì )對外界產(chǎn)生電磁輻射，不過(guò)電磁輻射值滿(mǎn)足FCC(美國通信委員會(huì ))標準要求。該公司射頻調制隔離器件的實(shí)現原理框圖如圖4所示。

　　巨磁電阻隔離器件

　　NVE公司的IL系列和安華高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速數字隔離器件是采用巨磁電阻技術(shù)集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線(xiàn)圈感應電流，產(chǎn)生正比的磁場(chǎng)?？偟拇艌?chǎng)改變GMR的電阻，通過(guò)CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。該類(lèi)器件優(yōu)點(diǎn)與別的電感式器件類(lèi)似，但有幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)：上電或初始狀態(tài)時(shí)輸入與輸出可能狀態(tài)不一致;對輸入噪聲敏感，伴隨一個(gè)噪聲尖峰，輸出不穩定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會(huì )振蕩;對較緩的脈沖上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會(huì )振蕩;輸出有過(guò)沖;無(wú)直流校正功能，無(wú)法傳輸直流信號。NVE公司巨磁電阻隔離器件IL710的實(shí)現原理圖如圖5所示。

　　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)勢是效率高，無(wú)論在體積、能量轉換還是在抗磁場(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，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(shí)鐘編碼數據。

　　TI公司的ISO72x系列數字隔離器采用電容耦合技術(shù)。電容耦合解決方案使用了經(jīng)過(guò)驗證的低成本制造工藝，能夠提供固有的抗磁場(chǎng)干擾特性。ISO72x使用“AC”與“DC”兩種通道進(jìn)行通信，如圖6所示?！癆C”通道不經(jīng)過(guò)編碼，而是經(jīng)單端至差分轉換后直接通過(guò)隔離層傳輸數據。差分信號傳輸的優(yōu)點(diǎn)是可抑制接收機的共模噪聲。共模抑制與耦合介質(zhì)(對噪聲呈現高阻抗，對高頻數據呈現低阻抗)共同實(shí)現了瞬態(tài)抗干擾功能?！癉C”通道將輸入數據轉換成脈寬調制(PWM)格式，并使用差分方式通過(guò)隔離層傳輸數據。PWM與隔離層接收側的脈寬解調器(PWD)可確保穩態(tài)條件(1或0的長(cháng)字符串)下能夠正確通信。此外，“DC”通道還可提供自動(dòng)防護功能。自動(dòng)防護指的是在出現輸入故障的情況下對輸出狀態(tài)的判斷。ISO72x系列器件使用載波檢測功能來(lái)確定輸入結構的電源是否處于“開(kāi)啟”以及該結構是否正在運行。如果該載波檢測器在4ms內未檢測到脈沖，則會(huì )將輸出設置為邏輯高電平。

　　各類(lèi)數字隔離器件性能比較

　　表1對各類(lèi)數字隔離器件的性能指標進(jìn)行了歸納比較，供研發(fā)設計師在設計產(chǎn)品時(shí)參考。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(chǎn)品設計師可根據具體需要選擇不同公司的產(chǎn)品，也可在調試時(shí)更換，給產(chǎn)品設計留下了更多的選擇空間。

　　應用實(shí)例

　　ADuM1100應用

　　某便攜產(chǎn)品設計時(shí)收發(fā)模塊需向信號處理模塊提供0、1電平的狀態(tài)線(xiàn)1根和40MHz方波時(shí)鐘，系統要求信號處理模塊需對這兩根信號線(xiàn)進(jìn)行隔離接收。最初設計時(shí)選用了安華高公司的光電隔離器HCPL-063實(shí)現狀態(tài)線(xiàn)的隔離，NVE公司的IL710實(shí)現時(shí)鐘的隔離。改進(jìn)設計時(shí)，電路板不變，充分利用ADI公司ADuM系列隔離器件的直流校正功能，直接用ADuM1100替代HCPL-063和IL710，實(shí)驗結果性能良好。當然，也可用TI公司的ISO721替代。若電路板重新設計，則可選用雙通道具有直流校正功能的隔離器件，如ADI公司的ADuM1200或TI公司的ISO7220，來(lái)替代單通道的HCPL-063和IL710器件。

　　ADuM5241應用

　　某通信設備的控制模塊需與外部設備通過(guò)RS-422異步串口進(jìn)行通信，系統要求通信設備的控制模塊內異步串口需與其它電路進(jìn)行隔離。開(kāi)始設計時(shí)，選用TI公司的隔離電源轉換芯片DCR01，將內部一路+5V電源轉換成一路單獨+5V，給隔離芯片IL712和電平轉換芯片RS422供電，隔離所需電源的電流大約為5mA。改進(jìn)設計時(shí)，由于A(yíng)DI公司的ADuM5241除了實(shí)現數字信號的隔離作用外，還內置了DC/DC轉換器，能向該芯片隔離端提供電源，并向采用5V電源的各種應用提供高達10mA的電流。故采用ADuM5241器件代替DCR01和IL712器件，實(shí)現了同樣的功能，同時(shí)節約了空間，減少了器件，降低了成本。

　　結語(yǔ)

　　隨著(zhù)數字電路和通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，數字隔離器件得到了廣泛的應用。本文介紹了最新幾種數字隔離技術(shù)及器件的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，電路設計師可根據具體的電路特點(diǎn)，選擇合適的數字隔離器件。