数字电路的隔离

shehua2010

电子电路中隔离的全面介绍之
                     ——数字电路的隔离（连载3）

作者：晶圆   jerrymiao

数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统和航空航天电子设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣的场合。数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。数字隔离器件的生产商很多，如安华高的HCPL系列、TI的ISO72XX系列、ADI的ADuM12/14XX系列、NVE的ILXX系列、芯科实验室的SI84XX等公司，各厂商的产品都得到了广泛的应用。依照数字式隔离电路的生产工艺、电气结构和传输原理，数字隔离电路主要分为光电隔离、电磁隔离以及电容隔离技术的数字隔离器件。

光电隔离

在隔离方面，光电隔离可谓是老大哥了，也是最为我们所熟知的一种隔离器件，尤其是6N137可谓是在高速数字隔离方面独领风骚。其隔离原理我想就不用再过多的描述了吧。但随着工业技术的不断发展，光电隔离的速率、LED老化、使用不方便、功耗过高等缺点也暴露出来。但因为6N137一直是主流，所以成本也比较低。

电磁隔离

　　与光耦合一样，电感耦合也有较长的应用历史，但通常仅用于电源或模拟隔离器，而非数字器件。随着制造工艺的进步和研发设计水平的提高，电感式数字隔离器件得到了迅速的发展和广泛的运用。

　　电感耦合使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信。电感耦合的优势之一是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声。另一个优势是信号能量的转换效率极高，因而可以实现低功耗隔离器。

　　变压器是一个最常见的例子：初级绕组及次级绕组的结构(单位长度的圈数)、磁芯介电常数以及电流强度决定了磁场强度。根据对数字信号编解码的不同，主要有以采用脉冲调制(ADI公司)和射频调制(芯科实验室)为主的两类产品。而采用巨磁电阻(GMR)效应技术设计的数字隔离器件是另一个例子，以NVE公司和安华高公司为代表。

脉冲调制变压器隔离器件

　　ADI公司的ADuM磁隔离芯片是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件。平面变压器采用CMOS金属层，顶部镀了一层金用于钝化。在镀金层下面的抗高击穿电压的聚酰亚胺层将其顶部的变压器线圈和底部线圈隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本方法。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题，功耗降低了90％，并且无需外部驱动器或分立器件。

　　数字信号的传送是通过发送大约1ns宽的短脉冲到变压器另一端来实现的，两个连续的短脉冲表示一个上升沿，单个短脉冲表示下降沿。次级端有一个不可重复触发的单稳态电路产生检测脉冲。如果检测到两个脉冲，输出就被置为高电平。相反的，如果检测到单个脉冲，输出就置为低电平。采用一个输入滤波器有助于提高噪声抗扰能力。如果1ms左右没有检测到信号边缘，发送刷新脉冲信号给变压器来保证直流的正确性(直流校正功能)。如果输入为高电平，就产生两个连续的短脉冲作为刷新脉冲，如果输入为低电平，就产生单个短脉冲刷新。这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入是很重要的。为了补充驱动器端的刷新电路，在接收器端采用了一个监视定时器来保证在没有检测到刷新脉冲时，输出处于一种故障安全状态。

ADI的ADuM磁隔离芯片是最早使用电磁隔离技术的，也是所有隔离器件里面功耗最低的隔离器，应用的是ADI公司的icoupler专利技术，目前除ADI的各大代理商外，北京晶圆智通科技有限公司在专门的做ADuM磁隔离芯片的技术推广,网站上资料比较全：www.adum.com.cn
　　
射频调制变压器隔离器件

　　芯科实验室公司是采用射频调制变压器技术研发生产数字隔离器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套专利架构为基础，利用标准全CMOS工艺制造多组芯片级变压器，能够提供整合度最高的6通道隔离功能。产品中采用的射频编码和译码机制使得不需要特别考虑或初始设定，就能提供可靠的隔离数据路径。芯科实验室公司产品的优点与ADI公司的产品类似，但有一个很明显的缺点。由于采用射频调制，内部有2.1GHz的载波产生及检测，载波和谐波会对外界产生电磁辐射，不过电磁辐射值满足FCC(美国通信委员会)标准要求。

巨磁电阻隔离器件

　　NVE公司的IL系列和安华高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速数字隔离器件是采用巨磁电阻技术集成的高速CMOS器件。在GMR隔离器中，输入端信号在低电感线圈感应电流，产生正比的磁场。总的磁场改变GMR的电阻，通过CMOS集成电路分析，输出就是输入信号的精确重生。该类器件优点与别的电感式器件类似，但有几个明显的缺点：上电或初始状态时输入与输出可能状态不一致；对输入噪声敏感，伴随一个噪声尖峰，输出不稳定，有可能与输入不一致，也可能一致，还可能会振荡;对较缓的脉冲上升沿，输出可能随输入变化，可能不变，还可能会振荡;输出有过冲;无直流校正功能，无法传输直流信号。

电容隔离

TI公司的IS072x系列数字隔离器采用电容耦合技术。电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输。电容器极板之间的材料是电介质绝缘体(二氧化硅)，即隔离层，这种高性能的绝缘体具有很稳定的可靠性和耐用性以及抗磁干扰能力和抗瞬态电压能力。电极板的大小、板间距离以及电介质材料决定了电气特性。采用电容隔离层的优势是效率高，无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。这种高效特性使得实现低功耗及低成本的集成式隔离电路成为可能。抗干扰性则使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作。与变压器不同的是，电容耦合的缺点在于无差分信号，并且噪声与信号共用同一条传输通道。这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率，以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗而对噪声呈现高阻抗。电容耦合还存在带宽限制，并需要时钟编码数据。

各数字隔离器件比较

　各公司的隔离器件只要通道数相同，都采用相同的封装，引脚相互兼容，仅有部分引脚定义稍有差异，大多数情况下都可相互替换。产品设计师可根据具体需要选择不同公司的产品，也可在调试时更换，给产品设计留下了更多的选择空间。

下面我们就以表格的形式来看一下各厂商的隔离器件性能比较：

型号        厂商        采 用
技 术        隔 离
通 道        隔 离
电 压        工 作
电 压        工 作
电 流        输出
电流        封装
6N137        东芝        光电隔离        1        2500V        5V        15mA        50mA        DIP-8
ADuM1201        ADI        电磁隔离        2        2500V        2.7V--5.5V        1.6mA        35mA        SOIC-8
SI8421        SI        电磁隔离        2        2500V        2.7V--5.5V        5mA        10mA        SOIC-8
IL511        NVE        电磁隔离        2        2500V        3.0V--5.5V        4mA        10mA        SOIC-8
ISO721        TI        电容隔离        2        2500V        3.0V--5.5V        7.5mA        10mA        SOIC-8
各大
厂商
种类
比 较        目前各大厂商的数字隔离器里面，ADI的种类最多，不仅可提供5000V隔离度的隔离器，还可提供RS232、RS485、USB等隔离芯片，而且是唯一可集成DC-DC隔离电源隔离芯片；SI只可提供单纯的数字隔离器，不过可达6通道；NVE可提供RS485的隔离芯片；TI可提供RS485、CAN的隔离芯片。所有数字隔离器里面，ADI的数字隔离器种类最多、型号最全、功耗最低、IO驱动能力最强。（-35mA---+35mA）

关于数字隔离器的一些基本情况我们先介绍到这里，下一章我们将重点介绍数字隔离器在嵌入式接口里的应用。

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