数字隔离器选型及应用经验谈

数字隔离器是电子系统中，数字信号和模拟信号进行传递时，使其且具有很高的电阻隔离特性，以实现电子系统与用户之间的隔离的一种芯片。设计人员之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。

隔离器主要是用在隔离高压(危险电路)系统和低压(安全电路)系统之间的电气连接，以保护用户以及电路系统安全，以及隔离敏感电路(比如高精度检测电路)和噪声源(例如大功率开关电源)之间的连接，以减小噪声干扰。

隔离器的主要结构大致有四种: 一是传统光电耦合; 二是集成式变压器(磁耦合);三是集成式电容耦合; 四是分立式变压器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光检测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。它的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限，唯一合理的选择是光耦合器。 随着近几年数据传输的速度不断提升，传统的光耦合器也暴露出一些缺点，例如，整个电路体积大，集成度不高，而且光电耦合器件本身具有易损耗、速度较慢(一般的数据速率低于1Mbps)、耗电量大等缺点，特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定，为其应用带来局限，特别是在工业应用中这些问题就比较突出。为了克服光电隔离技术的诸多缺点，许多半导体公司开始研发不发光的隔离器解决方案。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。

数字隔离器问世于10多年前，目的是降低光耦合器相关的不利影响。数字隔离器采用基于CMOS的电路，能够显著节省成本和功耗，同时大大提高数据速率。数字隔离器由上述要素界定。绝缘材料决定其固有的隔离能力，所选材料必须符合安全标准。结构和数据传输方法的选择应以克服上述不利影响为目的。所有三个要素必须互相配合以平衡设计目标，但有一个目标必须不折不扣地实现，那就是符合安全法规。

绝缘材料

数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造，仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化，导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性，并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础，作为高压绝缘体具有悠久的历史。

图1. (a) 带厚聚酰亚胺绝缘层的变压器，电流脉冲产生磁场，在另一个线圈中感生电流;(b) 带薄SiO2绝缘层的电容，利用低电流电场将数据耦合到隔离栅的另一端。

表1. 基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提供最佳的隔离特性

安全标准通常规定1分钟耐压额定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(典型值125 V rms至400 V rms)。某些标准也会规定更短的持续时间、更高的电压(如10 kV峰值并持续50 μs)作为增强绝缘认证的一部分要求。基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提高最佳的隔离特性，如表1所示。

基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器相似，在典型工作电压时寿命更长。基于SiO2的隔离器对浪涌的防护能力相对较弱，不能用于医疗和其他应用。

各种薄膜的固有应力也不相同。聚酰亚胺薄膜的应力低于SiO2薄膜，可以根据需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔离能力也会受限;超过15 μm时，应力可能会导致晶圆在加工过程中开裂，或者在使用期间分层。基于聚酰亚胺的数字隔离器可以使用厚达26 μm的隔离层。

隔离器结构

数字隔离器使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端，光耦合器则是使用LED光。

如图1所示，变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电流。电流脉冲很短(1 ns)，因此平均电流很低。

变压采用差分连接，提供高达100 kV/μs的出色共模瞬变抗扰度(光耦合器通常约为15 kV/μs)。磁性耦合对变压器线圈间距离