向數(shù)字隔離演進(jìn)，隔離耦合技術(shù)各有千秋

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）不管是工業(yè)場景里應(yīng)對高壓浪涌、大接地電位差、高側(cè)組件通信以及共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)，還是汽車應(yīng)用里需要通過隔離來實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全問題，或者再將范圍擴(kuò)大到樓宇自動化、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品等相對低壓場景，這些場景里，設(shè)備想要安全可靠的運(yùn)行，都需要使用隔離技術(shù)。

隔離耦合技術(shù)保護(hù)了低電壓電路免受高電壓故障影響，又能中斷接地回路來保持信號完整性，從而實(shí)現(xiàn)不同電壓域之間的通信，是電子電路的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

引入隔離耦合，提高電路可靠性

隔離耦合技術(shù)的本質(zhì)是通過不同的耦合技術(shù)分隔不同的電氣系統(tǒng)，從而防止這些部分產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流的同時仍允許信號和電源傳輸，保障整個電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定傳輸，并提高整個電氣系統(tǒng)的可靠性。具體的技術(shù)路線可能不盡相同，光耦路線、容耦路線、磁耦路線都能實(shí)現(xiàn)隔離，但目的都是一致的、

具體來說，隔離耦合技術(shù)需要應(yīng)對的電路難題有三類，其一自然是安全問題，尤其是在高壓系統(tǒng)中。其二是為了解決接地回路可能導(dǎo)致的通信子系統(tǒng)之間連接的中斷，接地回路的高電壓差會導(dǎo)致兩個通信系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)錯誤。其三則是為了降低接地環(huán)路的噪聲，提高電路抗噪性，接地環(huán)路中的噪聲既來自外部環(huán)境，也來自內(nèi)部瞬態(tài)行為，抑制這些干擾能有效提高電路可靠性。

兩個非常典型的隔離耦合應(yīng)用場景，一個是汽車電子，一個是工業(yè)自動化。工業(yè)場景中的高壓電源是必須隔離起來的，否則這些高壓浪涌帶來的破壞風(fēng)險太大，輕則損壞現(xiàn)場設(shè)備，重則造成人員安全問題。而大量工業(yè)設(shè)備之間互相關(guān)聯(lián)，涉及很多通信和控制信息的交換，為了確保各系統(tǒng)之間不受干擾穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，隔離耦合技術(shù)在其中應(yīng)用得非常廣泛。

汽車電子系統(tǒng)和工業(yè)自動化系統(tǒng)類似，尤其是現(xiàn)在汽車電氣平臺正在向更高的電壓等級發(fā)展趨勢下，隔離的應(yīng)用變得更加重要。汽車電子系統(tǒng)中有很多敏感電子元器件和快速瞬變高壓組件，這些組件需要在隔離的環(huán)境中才能保證整車EV系統(tǒng)的可靠性和安全性，對于電機(jī)效率、電源效率的提升也能作出貢獻(xiàn)。

光耦合隔離技術(shù)路線

光耦合隔離技術(shù)路線，一度是隔離技術(shù)路線上的主導(dǎo)技術(shù)，它以光為媒介傳輸電信號，有著體積小、壽命長、無觸點(diǎn)，具備抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn)。光耦合隔離可以將輸入端隔離，使得輸出端與輸入端完全沒有電氣聯(lián)系，避免了信號間的干擾和相互干擾的問題，保護(hù)輸入端和輸出端的安全性。

但隨著隔離技術(shù)的不斷發(fā)展，由于光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強(qiáng)度都偏低，高級別的隔離需求下只能通過在器件內(nèi)做更多的物理分割來增強(qiáng)其隔離等級，即便如此在絕大部分情況下它能達(dá)到的CMTI也小于容耦和磁耦，所以很多需要增強(qiáng)型隔離的場景不再考慮光耦。

但這也絕不是說光耦逐漸在失去隔離市場，作為技術(shù)成熟度很高的隔離手段，光耦有著目前還無法取代的兩大優(yōu)勢。其一是厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢，雖然CMTI無法做到很高，但是耐壓優(yōu)勢明顯，在需要高耐壓的隔離應(yīng)用里光耦的地位很穩(wěn)定。另一個則是高數(shù)據(jù)速率，因?yàn)橐怨鉃槊浇閭鬏旊娦盘?。所以在這一點(diǎn)上光耦的優(yōu)勢也一直保持得很好，如果設(shè)計中可以再犧牲一部分CMTI和功耗，光耦還能將數(shù)據(jù)速率做得更高，這就看應(yīng)用場景的取舍了。

電容耦合隔離技術(shù)路線

另一條技術(shù)路線，是電容耦合隔離技術(shù)。電容這類元器件，大家都非常熟悉，在任何電路中都有著不少應(yīng)用。電容天生就能阻斷直流信號，因此電容隔離技術(shù)基于穿過電介質(zhì)的交流信號傳輸可以使用更高階調(diào)制等方案。因此在數(shù)字隔離器興起后，很多廠商都通過該技術(shù)路線開辟出了一條隔離路線，如TI、Silicon Labs和納芯微等，這些廠商都在容耦路線上開發(fā)出了獨(dú)特的隔離方案。

電容耦合隔離技術(shù)能實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制，有著壽命長、功耗低優(yōu)點(diǎn)。而且由于容耦采用片上電容原理進(jìn)行信號的隔離傳輸，所以其傳輸速率也是很高的，延遲也能做到很低。而且利用電容的頻信號調(diào)制解調(diào)其抗EMI性能也很不錯。

除此之外，作為幾種技術(shù)路線中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術(shù)，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亞胺的磁耦厚度小了接近10μm，這既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。缺點(diǎn)就在于，絕緣厚度的限制，可能給容耦帶來浪涌保護(hù)能力會比較有限的問題，在高壓系統(tǒng)里這一點(diǎn)會更明顯。當(dāng)然，目前也有很多對策來盡可能降低容耦隔離的缺陷，比如通過多層電容和多層鈍化方法來提高容耦在高壓浪涌上的可靠性。

這條技術(shù)路線上國內(nèi)廠商納芯微非常具有代表性，其Adaptive OOK的信號調(diào)制技術(shù)，在EMI輻射，誤碼率上性能很突出，同時還能有效提高隔離器件抗共模噪聲（CMTI）的能力，在全球市場競爭中非常有競爭力。

磁耦合隔離技術(shù)路線

數(shù)字隔離技術(shù)另一大方向，磁耦合隔離，也是數(shù)字隔離經(jīng)常采用的一個方案。磁耦通過磁場進(jìn)行能量傳遞將信號進(jìn)行隔離傳輸，利用變壓器原理，在另一個線圈生成感應(yīng)電流，形成隔離前端的電流變化通過線圈引起隔離另一側(cè)的電流變化。

磁耦合隔離技術(shù)最明顯的優(yōu)勢是能夠改善傳輸延遲和延遲偏差，這是其他隔離技術(shù)沒辦法實(shí)現(xiàn)的。在高頻DC/DC電源轉(zhuǎn)換中，幾乎都會使用這種方案來發(fā)送高頻信號并實(shí)現(xiàn)隔離，既能傳輸數(shù)百毫瓦的功率，還無需次級側(cè)偏置電源。

但其缺點(diǎn)在于，磁耦中的變壓器本身就是輻射源，在EMI干擾上不可避免地會更嚴(yán)重一些。而且由于其能實(shí)現(xiàn)的功能，成本也相對較高。

這條路線上最著名的莫過于ADI的 iCoupler技術(shù)，ADI利用iCoupler技術(shù)實(shí)現(xiàn)了很多難以實(shí)行隔離的設(shè)計。

小結(jié)

隨著工業(yè)和汽車應(yīng)用的興起以及寬帶隙半導(dǎo)體的普及，數(shù)字隔離技術(shù)可以發(fā)揮的空間越來越大。以容耦和磁耦為代表的隔離技術(shù)，也在隔離技術(shù)的競爭中占據(jù)更多席位。當(dāng)然，在低成本的應(yīng)用中，光耦仍舊是性價比很高的選擇。