高速數(shù)字電路中電子隔離比較

概要

本應(yīng)用報(bào)告概述了高速數(shù)字電路中電子隔離的必要性、實(shí)施以及特性，討論了在一個(gè)隔離層上進(jìn)行光、磁（電感）和電氣（電容）信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對(duì) ISO72x 系列數(shù)字隔離器中使用的電容耦合技術(shù)作了特別的重點(diǎn)闡述。

1 引言

隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開來。在電子電路中，電介質(zhì)通過阻斷直流電 (dc) 實(shí)現(xiàn)電路隔離。那么被隔離的電路如何在一個(gè)更大的電氣系統(tǒng)中運(yùn)行呢？這個(gè)問題的答案便是本應(yīng)用報(bào)告的主題。

隨著德州儀器 (TI) 和其他供應(yīng)商推出的產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，隔離信號(hào)的傳輸選項(xiàng)也隨之增加，從而使設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品選擇上變得更加復(fù)雜。本報(bào)告闡述了隔離器的重要特性，并說明了各產(chǎn)品之間的差異和相似之處。

在對(duì)電路隔離的必要性進(jìn)行回顧之后，我們對(duì)電介質(zhì)信號(hào)傳輸?shù)娜N方法以及模擬對(duì)數(shù)字隔離器進(jìn)行了討論，并對(duì)每一類型數(shù)字隔離器的實(shí)例進(jìn)行了描述和對(duì)比。

2 電路隔離的必要性

隔離電路的主要原因是保護(hù)電路不受危險(xiǎn)電壓和電流的損壞。在圖 1 的醫(yī)療應(yīng)用實(shí)例中，即使是小量的 AC 電流也有可能造成致命的傷害，因此需要采用一個(gè)隔離層來保護(hù)病人。隔離還可對(duì)敏感電路進(jìn)行保護(hù)，使其免于受到工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的高壓損壞。圖 2 的工業(yè)實(shí)例僅為一個(gè)高壓測(cè)量法。將傳感器與實(shí)際高壓相隔離使得對(duì)低壓電路的測(cè)量成為可能。

圖 1、電源和病人之間可能的電路通路

圖 2、高壓和低壓電路之間的隔離

保護(hù)原理是將高電壓電位 (potential) 隔離，其可能出現(xiàn)在各系統(tǒng)或電路中，如圖 3 中的線纜應(yīng)用所示，其中的長距離可以將一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)隔離。經(jīng)過如此的長距離，接地可能處在不同電壓中。通過隔離，在隔離器而非敏感電路中形成電壓差。

圖 3、設(shè)備之間的接地電壓差

如圖 4 所示，通過相對(duì)于其他電路組件而言的高阻抗，隔離中斷了由電路通路形成的環(huán)路。通過中斷該環(huán)路，噪聲電壓出現(xiàn)在隔離層上，而非出現(xiàn)在接收機(jī)或更為敏感的組件上。噪聲電壓的高電平可以由外部電流或電壓源（例如：電感馬達(dá)和閃電 (lightning)）耦合。

圖 4、各隔離中斷節(jié)點(diǎn)之間的接地環(huán)路

3 電路隔離器

在允許通過電磁或光鏈路進(jìn)行模擬或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，電路隔離器阻礙了各電路之間的低頻電流。數(shù)字隔離器傳輸二進(jìn)制信號(hào)，模擬隔離器則在隔離層上 傳輸連續(xù)信號(hào)。在模擬和數(shù)字隔離器中，工作和峰值額定電壓以及共模瞬態(tài)抗擾度均為這種隔離層的重要特性。當(dāng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離時(shí)，隔離電路的這些重要特性 為輸入和輸出邏輯電壓電平、信號(hào)速率、數(shù)據(jù)運(yùn)行長度以及自動(dòng)防護(hù)響應(yīng)。

傳統(tǒng)上而言，為滿足特殊需求時(shí)，變壓器、電容器或光電二極管晶體管及分立電路以輸入和輸出信號(hào)為條件。這種方法是有效的，但卻不能將其從一種應(yīng)用轉(zhuǎn) 移至另一種應(yīng)用中。盡管這樣可能會(huì)保持模擬隔離器的情況，但市場(chǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)了新一代數(shù)字隔離器，其使用創(chuàng)新電路在超過 100 Mbps 直流電信號(hào)速率的條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。這些通用數(shù)字隔離器均具有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以下幾段內(nèi)容將對(duì)各種不同技術(shù)進(jìn)行介紹，并將具體產(chǎn)品同 TI 推出的新型 ISO72x 系列產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。

3.1 光耦合技術(shù)

光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層（例如：空氣間隙）上的光傳輸，以達(dá)到隔離目的。圖 5 顯示了一款數(shù)字隔離器的主要組件。該電流驅(qū)動(dòng)器采用數(shù)字輸入，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 (LED)。輸出緩沖器將光電探測(cè)器的電流輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字輸出。

圖 5、基本光耦合機(jī)制

光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，光具有對(duì)外部電子或磁場(chǎng)內(nèi)在的抗擾性，而且，光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及 LED 老化上。

一個(gè)光耦合器的最大信號(hào)速率取決于 LED 能夠開啟和關(guān)閉的速度。從當(dāng)前可供使用的產(chǎn)品來看，最快的光耦合器是 HCPL-0723，其可以達(dá)到 50 Mbps 的信號(hào)速率。

從輸入到輸出的電流傳輸比 (CTR) 是光耦合器的一個(gè)重要特性，LED 一般會(huì)要求10mA 的輸入電流，以用于高速數(shù)字傳輸。這種比率對(duì)用于驅(qū)動(dòng) LED 的電流和由光電晶體管產(chǎn)生的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著時(shí)間的推移，LED 變得更為低效，同時(shí)要求更多的電流來產(chǎn)生相同等級(jí)的亮度以及相同等級(jí)的光電晶體管輸出電流。在許多數(shù)字隔離器中，內(nèi)部電路控制 LED 驅(qū)動(dòng)電流，并且用戶無法對(duì)逐漸下降的 CTR 進(jìn)行補(bǔ)償。LED 的優(yōu)勢(shì)減弱了，并且隨著時(shí)間的推移隔離器不再像以前那樣有效了。

3.2 電感耦合技術(shù)

電感耦合技術(shù)使用兩個(gè)線圈之間的變化磁場(chǎng)在一個(gè)隔離層上進(jìn)行通信。最常見的例子就是變壓器，其磁場(chǎng)大小取決于主級(jí)和次級(jí)繞組的線圈結(jié)構(gòu)（匝數(shù)/單位長度）、磁芯的介電常數(shù)，以及電流振幅。圖 6 顯示了一款具有信號(hào)調(diào)節(jié)電路模塊的變壓器。

圖 6、電感隔離

電感耦合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設(shè)計(jì)允許噪聲和信號(hào)頻率重疊，但是會(huì)呈現(xiàn)出噪聲高共模阻抗和信號(hào)低差分阻抗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，信號(hào)能量傳輸可以為近 100% 的效率，從而使低功耗隔離器成為可能。

電感耦合技術(shù)的主要缺點(diǎn)是對(duì)外部磁場(chǎng)（噪聲）的磁化。工業(yè)應(yīng)用通常要求磁場(chǎng)隔離，例如：馬達(dá)控制。數(shù)字變壓器傳輸中另一個(gè)缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)運(yùn)行長度。一個(gè) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器在某一頻率和振幅范圍內(nèi)傳輸信號(hào)，并且其失真可以接受。需要數(shù)據(jù)運(yùn)行長度限制或時(shí)鐘編碼來將該信號(hào)保持在可用變壓器帶寬內(nèi)。采用電感耦合技術(shù)的 通用數(shù)字隔離器要求信號(hào)處理隨同傳輸?shù)皖l率信號(hào)（1 或 0 長字符）的方法共同對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸和重新構(gòu)建。NVE 公司/Avago（安華高）公司推出的 Isoloop?，以及 ADI（美國模擬器件公司）推出的 iCoupler? 均使用了編碼功能，并提供了支持從 DC 到 100 Mbps 運(yùn)行范圍的數(shù)字隔離解決方案。

ADuM1100 是 ADI 推出的 iCoupler? 技術(shù)的一個(gè)例子。ADuM1100 使用一個(gè)基本的變壓器來實(shí)現(xiàn)在一個(gè)隔離層上傳輸信息。這種 Isoloop? 技術(shù)（例如：HCPL-0900）使用一個(gè)如圖 7 所示的電阻器網(wǎng)絡(luò)來替換次級(jí)線圈。該電阻器由GMR（巨磁電阻）材料組成，這樣當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)揮作用時(shí)該電阻會(huì)發(fā)生變化。電路感應(yīng)電阻的變化，并滿足其條件，以 用于輸出。這種技術(shù)被首次引入市場(chǎng)時(shí)就切實(shí)地提高了 AC 性能，超過了現(xiàn)有光耦合器的性能?，F(xiàn)在，隨著 ADI 最近推出了更多的數(shù)字隔離器以及 TI ISO72x 系列器件的推出，這些 Isoloop? 器件的性能已經(jīng)被超越。

圖 7、GMR 結(jié)構(gòu)圖

3.3 電容耦合技術(shù)

電容耦合技術(shù)是在隔離層上采用一個(gè)不斷變化的電場(chǎng)傳輸信息。各電容器極板之間的材料是一個(gè)電介質(zhì)隔離器，并形成隔離層。該極板尺寸、極板之間的間隔和電介質(zhì)材料等都決定著電氣性能。

圖 8、電容耦合

使用一個(gè)電容隔離層的好處是，在尺寸大小和能量傳輸方面的高效率，以及對(duì)磁場(chǎng)的抗擾度。前者使低功耗和低成本集成隔離電路成為可能；而后者使在飽和或高密度磁場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行成為可能。

電容耦合技術(shù)的缺點(diǎn)是其沒有差分信號(hào)和噪聲，并且信號(hào)共用相同的傳輸通道，這一點(diǎn)與變壓器不同。這就要求信號(hào)頻率要大大高于噪聲預(yù)期頻率，這樣隔離層電容就呈現(xiàn)出信號(hào)的低阻抗，以及噪聲的高阻抗。使用了電感耦合以后，電容耦合就不能傳輸穩(wěn)定狀態(tài)信號(hào)，并需要時(shí)鐘編碼數(shù)據(jù)。

3.3.1 TI 推出的 ISO721

TI 推出的 ISO72x 系列隔離器采用電容耦合技術(shù)。電容耦合解決方案采用業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的、低成本生產(chǎn)制造工藝，并對(duì)磁場(chǎng)具有內(nèi)在的抗擾度。

為了提供恒定信息的傳輸，ISO72x 使用一個(gè)高信號(hào)速率和低信號(hào)速率通道來進(jìn)行通信，如圖 9 所示。高信號(hào)速率通道未被編碼，并且其在一個(gè)單端到差分轉(zhuǎn)換之后的隔離層上傳輸數(shù)據(jù)。該低信號(hào)速率通道以一種脈寬調(diào)制格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并在隔離層上差 分傳輸數(shù)據(jù)，從而確保了恒定狀態(tài)的精確通信（1 和 0 的長字符）。

單端邏輯信號(hào)在隔離層上的差分傳輸允許使用低電平信號(hào)和小耦合電容。這就呈現(xiàn)出對(duì)共模噪聲的高阻抗，并且，通過接收機(jī)的共模噪聲抑制，帶來了優(yōu)異的瞬態(tài)抗擾度，也即信號(hào)電容耦合需要解決的主要問題。

圖 9、ISO72x 與 ISO72xM 的結(jié)構(gòu)圖

3.4 隔離性能

三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了對(duì)于隔離保護(hù)的必要性，其分別為 UL 1577、IEC 60747-5-2 和 CSA。雖然每一種標(biāo)準(zhǔn)都稍有不同，但是均提供了一個(gè)對(duì)比隔離性能的標(biāo)準(zhǔn)。IEC、UL 和 CSA 的測(cè)試證實(shí)了輸入和輸出之間電介質(zhì)擊穿以外的電壓。運(yùn)用這些標(biāo)準(zhǔn)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)闇y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和隔離方法無關(guān)。圖 10 顯示了隔離測(cè)試是如何將隔離器看作是兩端器件的。盡管每種器件的物理結(jié)構(gòu)存在差異，但隔離測(cè)試卻是在電介質(zhì)擊穿電壓上測(cè)定的。

圖 10、兩端隔離電壓測(cè)試

UL 1577、IEC 60747-5-2、IEC 61010-1 和 CSA 測(cè)試了 ISO72x 系列隔離性能。表 1 顯示了說明該三種隔離技術(shù)的這五個(gè)器件的隔離性能。

表 1 隔離性能

（1） 在本刊出版的時(shí)候，HCPL-0900 的產(chǎn)品說明書還不包括 IEC 60747-5-2。

所有這三個(gè)測(cè)試，即 UL、CSA 和 IEC，均對(duì)隔離層的質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試。UL 和 CSA 測(cè)試均為應(yīng)力測(cè)試，其使用由廠商設(shè)置的規(guī)定時(shí)間對(duì)電介質(zhì)擊穿電壓進(jìn)行測(cè)試。在該測(cè)試期間，電介質(zhì)的擊穿就是出現(xiàn)的一個(gè)故障。IEC 測(cè)試使用一種被稱為局部放電的現(xiàn)象來探測(cè)電介質(zhì)內(nèi)的無效 (void)。一個(gè)大電壓被應(yīng)用于該器件中，其是由廠商定義的工作電壓的一個(gè)函數(shù)，然后被降低至另一個(gè)電壓電平，即 Vm。在該低壓應(yīng)用中，對(duì)被測(cè)試器件進(jìn)行電介質(zhì)內(nèi)的無效局部放電監(jiān)控。這些無效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電介質(zhì)的最終擊穿。

3.5 瞬態(tài)抗擾度

高轉(zhuǎn)換率（高頻率）瞬態(tài)可以破壞一個(gè)隔離層上的數(shù)據(jù)傳輸。該隔離層電容提供了一個(gè)如圖 11 所示的通道，使瞬態(tài)事件穿過隔離層，并破壞輸出波形。一個(gè)法拉第屏蔽可以使這種在光耦合器或電感耦合器中的位移電流的一部分遠(yuǎn)離重要的輸出結(jié)構(gòu)。

圖 11、隔離層電容

在電容耦合解決方案中，法拉第屏蔽并非是一種可行的解決方案。除了瞬態(tài)以外，法拉第屏蔽還會(huì)阻塞用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妶?chǎng)。為了提供瞬態(tài)抗擾 度，ISO72x 系列電容隔離器只傳輸 fo 信號(hào)（信號(hào)中僅代表最高頻率能量的數(shù)據(jù)信號(hào)）。這樣就允許有一個(gè)噪聲頻率高阻抗的小耦合電容。其他噪聲則來自在隔離層上傳輸數(shù)據(jù)的差分技術(shù)。圖 9 顯示了穿過電容隔離層的四個(gè)信號(hào)；兩個(gè)包含低信號(hào)速率信息，另外兩個(gè)包含高信號(hào)速率信息。通過使用差分技術(shù)，可以在真正的和補(bǔ)償信號(hào)中看到任何穿過隔離層 sm的剩余共模瞬態(tài)，而且差分接收機(jī)對(duì)其進(jìn)行了抑制。如表 2 所示，ISO72x 系列的瞬態(tài)抗擾度和所有具可比性的高達(dá) 25 kV/ 的器件一樣高。

表 2 瞬態(tài)抗擾度性能

3.6 自動(dòng)防護(hù)

數(shù)據(jù)線電路和數(shù)字隔離器需要注意的一點(diǎn)就是輸入信號(hào)損耗的輸出狀態(tài)。輸入損耗可能出現(xiàn)在線纜斷開或直接從隔離器輸入端去除電源。自動(dòng)防護(hù)是指在輸入 損耗狀態(tài)下一個(gè)決定性的或已知的輸出狀態(tài)。ISO72x 以后沒有接收到一個(gè)脈沖，那么該輸出被設(shè)置為一個(gè)高狀態(tài)。 sm系列使用一個(gè)周期脈沖來確定輸入結(jié)構(gòu)是否有電，并且是否正在工作。如果隔離器的輸出端在4 ADI 推出的 ADum1100 也在 IC 的輸出部分集成了一個(gè)自動(dòng)防護(hù)電路。安華高科技推出的光解決方案（HCPL-0721 及–0723）沒有提及自動(dòng)防護(hù)，而電感 GMR 解決方案（HCPL-0900）明確地描述了在電源排序期間輸出的不確定性質(zhì)。

3.7 功耗

除了隔離層上信號(hào)傳輸?shù)男手猓斎牒洼敵稣{(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)同功耗的相關(guān)性最大。如表 3 所示，與電感或電容實(shí)例相比，光耦合器的功耗會(huì)更高。

表 3 靜態(tài)電源電流

（1） 10 mA 為邏輯低輸入狀態(tài)。當(dāng)該邏輯輸入狀態(tài)為高時(shí)，電流消耗下降至 3mA。
（2） 17.5 mA 為邏輯低輸入狀態(tài)。當(dāng)該邏輯輸入狀態(tài)為高時(shí)，電流消耗下降至 16.5 mA。

3.8 可靠性

故障前平均工作時(shí)間 (MTTF) 是半導(dǎo)體設(shè)備可靠性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。對(duì)于數(shù)字隔離器而言，這種測(cè)量表示集成電路和隔離機(jī)制的可靠性。表 4 顯示了一款光、電感和電容數(shù)字隔離器的 MTTF。與電感及光解決方案相比，ISO721 非?？煽俊?/p>

表 4 MTTF 可靠性測(cè)量

ADuM1100 可靠性數(shù)據(jù)表沒有明確地說明 MTTF，但是其提供了可靠性測(cè)試的結(jié)果。表 5 顯示了 ISO721 和 ADuM1100 可靠性測(cè)試的參數(shù)。

表 5 原始可靠性數(shù)據(jù)

3.9 外部磁場(chǎng)抗擾度

圖 12 對(duì)比了 ADuM1100 和 ISO72x（沒有找到 HCPL-0900 的數(shù)據(jù)）的磁場(chǎng)抗擾度。相對(duì)來說盡管這兩個(gè)實(shí)例均對(duì)磁場(chǎng)有一定的抗擾度，但是 ISO72x 提供了更大的裕度。如前面所述，光耦合隔離層電路對(duì)外部磁場(chǎng)具有內(nèi)在的磁化抗擾度。

圖 12、對(duì)外部磁場(chǎng)的敏感度

4 結(jié)論

噪聲降低和噪聲保護(hù)使得隔離器在那些隔離器中斷接地環(huán)路并將接地電壓差隔離的電子電路中得到廣泛使用。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在擁有許多用來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)隔離的 選擇，包括 TI 推出的 ISO72x 系列，其在信號(hào)速率、電介質(zhì)擊穿電壓、瞬態(tài)抗擾度、功耗、磁場(chǎng)抗擾度以及可靠性等重要特性方面均表現(xiàn)不俗。表 6 對(duì)本報(bào)告中所討論實(shí)例的這些特性進(jìn)行了總結(jié)。

表 6 不同數(shù)字隔離器的參數(shù)

?