一文讀懂，數(shù)字隔離芯片如何實(shí)現(xiàn)電氣隔離？

數(shù)字隔離芯片是現(xiàn)代電氣工程師在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的一種電子元件，主要用于保護(hù)低壓控制電路中敏感電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行與操作人員的人身安全。其不僅能隔離兩個(gè)或多個(gè)高低壓回路之間的電氣聯(lián)系，還能防止漏電流、共模噪聲與浪涌等干擾信號(hào)的傳播，有效增強(qiáng)電路間信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，同時(shí)提升電子系統(tǒng)的電磁兼容性與通信穩(wěn)定性。

容耦隔離芯片的典型應(yīng)用原理圖

值得一提的是，在電子電路中引入隔離措施會(huì)帶來(lái)傳輸延遲、功耗增加、成本增加與尺寸增加等問(wèn)題，而數(shù)字隔離芯片的目標(biāo)就是盡可能消除這些不利影響，同時(shí)滿足安全法規(guī)的要求。

不同類型的隔離芯片，如何實(shí)現(xiàn)電氣隔離？

從如何實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能的角度上看，隔離芯片可以分為容耦隔離芯片、磁耦隔離芯片和光耦隔離芯片三大類，其中容耦隔離芯片和和磁耦隔離芯片屬于新型的數(shù)字隔離芯片。

容耦隔離是一種基于電容通高頻阻低頻的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸與電氣隔離的技術(shù)。

在信號(hào)輸入階段，來(lái)自MCU的電信號(hào)首先經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制電路，被轉(zhuǎn)換為高頻載波信號(hào)。通常采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方式，例如，在 OOK 調(diào)制方式中，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，發(fā)送高頻載波信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，不發(fā)送信號(hào)。

容耦隔離芯片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)示圖

在信號(hào)傳輸階段，調(diào)制后的高頻信號(hào)通過(guò)芯片內(nèi)部的隔離電容傳輸?shù)捷敵龆恕Ｓ捎陔娙菥哂懈糁绷魍ń涣鞯奶匦?，所以可以有效地阻斷直流分量和低頻干擾信號(hào)，只允許高頻調(diào)制信號(hào)通過(guò)。

在信號(hào)接收階段，接收到的高頻信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)行放大和預(yù)處理，然后進(jìn)入解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)器根據(jù)調(diào)制方式的不同，采用相應(yīng)的解調(diào)算法將高頻信號(hào)還原為原始的數(shù)字信號(hào)。例如，對(duì)于 OOK 調(diào)制信號(hào)，解調(diào)器通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的有無(wú)來(lái)恢復(fù)出原始的數(shù)字信號(hào)。最后，經(jīng)過(guò)解碼電路將解調(diào)后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)邏輯對(duì)應(yīng)的電信號(hào)輸出。

磁耦隔離是一種采用電磁感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸與電氣隔離的技術(shù)。

在信號(hào)輸入階段，來(lái)自MCU的電信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的處理轉(zhuǎn)換為1ns的脈沖信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，如從低電平變?yōu)楦唠娖交蚍粗?，芯片?huì)產(chǎn)生相應(yīng)的窄脈沖信號(hào)加載到變壓器的初級(jí)線圈上。

磁耦隔離芯片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)示圖

在信號(hào)傳輸階段，變壓器初級(jí)線圈在脈沖信號(hào)的作用下產(chǎn)生磁場(chǎng)變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場(chǎng)會(huì)在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。由于變壓器的初、次級(jí)線圈之間具有良好的磁耦合，磁場(chǎng)能有效地從初級(jí)線圈傳遞到次級(jí)線圈，從而將初級(jí)線圈的信號(hào)以磁場(chǎng)為媒介耦合到次級(jí)線圈。

在信號(hào)接收階段，次級(jí)端電路檢測(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)后，對(duì)其進(jìn)行處理和解碼，將其還原為與輸入信號(hào)邏輯對(duì)應(yīng)的1ns脈沖信號(hào)。而后，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電路處理后在輸出端重新恢復(fù)為最初的電信號(hào)。

光耦隔離是一種使用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸與電氣隔離的技術(shù)。

在信號(hào)輸入階段，來(lái)自MCU的電信號(hào)會(huì)通過(guò)LED，LED會(huì)根據(jù)電信號(hào)電流的大小和變化產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度和變化的光信號(hào)。例如：輸入高電平時(shí)，通過(guò)LED的電流較大，LED發(fā)光強(qiáng)度較強(qiáng)；輸入低電平時(shí)，通過(guò)LED的電流較小或無(wú)電流，LED發(fā)光強(qiáng)度較弱或不發(fā)光。

光耦隔離芯片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)示圖

在信號(hào)傳輸階段，LED發(fā)出的光信號(hào)會(huì)通過(guò)光耦內(nèi)部的PI、空氣等透明隔離介質(zhì)，傳輸?shù)捷敵龆说墓饷粼?。在此過(guò)程中，由于光信號(hào)的傳輸是通過(guò)透明隔離介質(zhì)進(jìn)行的，因此輸入和輸出端在電氣上是完全隔離的。

在信號(hào)接收階段，光敏二極管、光敏三極管或光控晶閘管等光敏元件在接收到光信號(hào)后，會(huì)根據(jù)光信號(hào)的強(qiáng)度、頻率等特性還原出相應(yīng)的電信號(hào)。例如，光敏三極管在接收到光信號(hào)后，其內(nèi)部的光敏區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使三極管的電流發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

不同類型的隔離芯片，孰優(yōu)孰劣？

綜上所訴，容耦隔離芯片是利用電場(chǎng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離，采用CMOS工藝，具備抗干擾能力較強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率較高、集成度較高、功耗較小、體積較小、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，常用于高速數(shù)字信號(hào)的隔離。

磁耦隔離芯片是利用磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離，采用CMOS工藝，具備數(shù)據(jù)傳輸速率較高、集成度較高與體積較小等優(yōu)點(diǎn)，但其存在功耗相對(duì)容耦隔離芯片較大、易受外部磁場(chǎng)干擾與應(yīng)用成本較高等缺點(diǎn)，常用于高速數(shù)字信號(hào)的隔離。

光耦隔離芯片是利用光信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離，具備技術(shù)成熟度較高、抗干擾能力較強(qiáng)與成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但其存在數(shù)據(jù)傳輸速率較低、功耗較高、體積較大、隔離等級(jí)受限與光衰等缺點(diǎn)，常用于低速和中速數(shù)字信號(hào)的隔離。

現(xiàn)階段，數(shù)字隔離芯片將進(jìn)一步取代傳統(tǒng)光耦隔離芯片已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，其中容耦隔離芯片是業(yè)內(nèi)主流的技術(shù)發(fā)展方向。在數(shù)字隔離芯片的技術(shù)賽道上，容耦隔離芯片在抗干擾能力與成本方面均優(yōu)于磁耦隔離芯片，在下游市場(chǎng)端滲透更快，應(yīng)用領(lǐng)域亦更加寬泛。

容耦隔離芯片，“守護(hù)”電子系統(tǒng)的最優(yōu)選

作為傳統(tǒng)光耦隔離芯片的升級(jí)/替代方案，華普微自主研發(fā)的隔離芯片采用了業(yè)內(nèi)主流的容耦技術(shù)，可通過(guò)OOK調(diào)制方式，令發(fā)射器通過(guò)隔離柵發(fā)送高頻載波表示一種數(shù)字狀態(tài)，而不發(fā)送信號(hào)則表示另一種數(shù)字狀態(tài)。數(shù)據(jù)信號(hào)在接收時(shí)，接收器在將信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，并通過(guò)緩沖級(jí)產(chǎn)生輸出。容耦隔離芯片的功耗基本不隨著傳輸數(shù)據(jù)速率的變化而改變。

這種基于開關(guān)鍵控（OOK）的調(diào)制策略，不僅能有效抵抗共模干擾，確保設(shè)備在高噪聲環(huán)境下穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，還具備低電磁輻射、響應(yīng)速度快與實(shí)現(xiàn)成本低等優(yōu)勢(shì)，使得采用容耦技術(shù)的隔離芯片成為了各類電子系統(tǒng)中保障低壓控制回路安全性的理想選擇。

展望未來(lái)，隨著容耦隔離芯片技術(shù)水平的不斷提升，可以預(yù)見，容耦隔離芯片作為保障電子電路安全的關(guān)鍵組件，將在新能源汽車、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)、信息通訊等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出更加廣泛的應(yīng)用潛力。