射頻調(diào)制變壓器隔離器件

　　芯科實驗室公司是采用射頻調(diào)制變壓器技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)數(shù)字隔離器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套專利架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)全CMOS工藝制造多組芯片級變壓器，能夠提供整合度最高的4通道隔離功能。產(chǎn)品中采用的射頻編碼和譯碼機(jī)制使得不需要特別考慮或初始設(shè)定，就能提供可靠的隔離數(shù)據(jù)路徑。芯科實驗室公司產(chǎn)品的優(yōu)點與ADI公司的產(chǎn)品類似，但也有一個很明顯的缺點。由于采用射頻調(diào)制，內(nèi)部有2.1GHz的載波產(chǎn)生及檢測，載波和諧波會對外界產(chǎn)生電磁輻射，不過電磁輻射值滿足FCC（美國通信委員會）標(biāo)準(zhǔn)要求。該公司射頻調(diào)制隔離器件的實現(xiàn)原理框圖如圖4所示。

　　圖4 射頻調(diào)制隔離器件實現(xiàn)原理框圖

　　巨磁電阻隔離器件

　　NVE公司的IL系列和安華高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速數(shù)字隔離器件是采用巨磁電阻技術(shù)集成的高速CMOS器件。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應(yīng)電流，產(chǎn)生正比的磁場?？偟拇艌龈淖僄MR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。該類器件優(yōu)點與別的電感式器件類似，但有幾個明顯的缺點：上電或初始狀態(tài)時輸入與輸出可能狀態(tài)不一致;對輸入噪聲敏感，伴隨一個噪聲尖峰，輸出不穩(wěn)定，有可能與輸入不一致，也可能一致，還可能會振蕩;對較緩的脈沖上升沿，輸出可能隨輸入變化，可能不變，還可能會振蕩;輸出有過沖;無直流校正功能，無法傳輸直流信號。NVE公司巨磁電阻隔離器件IL710的實現(xiàn)原理圖如圖5所示。

　　圖5 NVE公司IL710實現(xiàn)原理框圖

　　電容耦合隔離器件

　　電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現(xiàn)信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質(zhì)絕緣體（二氧化硅），即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩(wěn)定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態(tài)電壓能力。電極板的大小、板間距離以及電介質(zhì)材料決定了電氣特性。采用電容隔離層的優(yōu)勢是效率高，無論在體積、能量轉(zhuǎn)換還是在抗磁場干擾方面均如此。這種高效特性使得實現(xiàn)低功耗及低成本的集成式隔離電路成為可能。抗干擾性則使得器件可以在飽和或密集磁場環(huán)境下工作。與變壓器不同的是，電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現(xiàn)低阻抗而對噪聲呈現(xiàn)高阻抗。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數(shù)據(jù)。

　　TI公司的ISO72x系列數(shù)字隔離器采用電容耦合技術(shù)。電容耦合解決方案使用了經(jīng)過驗證的低成本制造工藝，能夠提供固有的抗磁場干擾特性。ISO72x使用“AC”與“DC”兩種通道進(jìn)行通信，如圖6所示?！癆C”通道不經(jīng)過編碼，而是經(jīng)單端至差分轉(zhuǎn)換后直接通過隔離層傳輸數(shù)據(jù)。差分信號傳輸?shù)膬?yōu)點是可抑制接收機(jī)的共模噪聲。共模抑制與耦合介質(zhì)（對噪聲呈現(xiàn)高阻抗，對高頻數(shù)據(jù)呈現(xiàn)低阻抗）共同實現(xiàn)了瞬態(tài)抗干擾功能?！癉C”通道將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制（PWM）格式，并使用差分方式通過隔離層傳輸數(shù)據(jù)。PWM與隔離層接收側(cè)的脈寬解調(diào)器（PWD）可確保穩(wěn)態(tài)條件（1或0的長字符串）下能夠正確通信。此外，“DC”通道還可提供自動防護(hù)功能。自動防護(hù)指的是在出現(xiàn)輸入故障的情況下對輸出狀態(tài)的判斷。ISO72x系列器件使用載波檢測功能來確定輸入結(jié)構(gòu)的電源是否處于“開啟”以及該結(jié)構(gòu)是否正在運行。如果該載波檢測器在4ms內(nèi)未檢測到脈沖，則會將輸出設(shè)置為邏輯高電平。

　　圖6 TI公司ISO72X系列實現(xiàn)原理框圖

　　各類數(shù)字隔離器件性能比較

　　表1對各類數(shù)字隔離器件的性能指標(biāo)進(jìn)行了歸納比較，供研發(fā)設(shè)計師在設(shè)計產(chǎn)品時參考。各公司的隔離器件只要通道數(shù)相同，都采用相同的封裝，引腳相互兼容，僅有部分引腳定義稍有差異，大多數(shù)情況下都可相互替換。產(chǎn)品設(shè)計師可根據(jù)具體需要選擇不同公司的產(chǎn)品，也可在調(diào)試時更換，給產(chǎn)品設(shè)計留下了更多的選擇空間。

　　應(yīng)用實例

　　ADuM1100應(yīng)用

　　某便攜產(chǎn)品設(shè)計時收發(fā)模塊需向信號處理模塊提供0、1電平的狀態(tài)線1根和40MHz方波時鐘，系統(tǒng)要求信號處理模塊需對這兩根信號線進(jìn)行隔離接收。最初設(shè)計時選用了安華高公司的光電隔離器HCPL-063實現(xiàn)狀態(tài)線的隔離，NVE公司的IL710實現(xiàn)時鐘的隔離。改進(jìn)設(shè)計時，電路板不變，充分利用ADI公司ADuM系列隔離器件的直流校正功能，直接用ADuM1100替代HCPL-063和IL710，實驗結(jié)果性能良好。當(dāng)然，也可用TI公司的ISO721替代。若電路板重新設(shè)計，則可選用雙通道具有直流校正功能的隔離器件，如ADI公司的ADuM1200或TI公司的ISO7220，來替代單通道的HCPL-063和IL710器件。

　　ADuM5241應(yīng)用

　　某通信設(shè)備的控制模塊需與外部設(shè)備通過RS-422異步串口進(jìn)行通信，系統(tǒng)要求通信設(shè)備的控制模塊內(nèi)異步串口需與其它電路進(jìn)行隔離。開始設(shè)計時，選用TI公司的隔離電源轉(zhuǎn)換芯片DCR01，將內(nèi)部一路+5V電源轉(zhuǎn)換成一路單獨+5V，給隔離芯片IL712和電平轉(zhuǎn)換芯片RS422供電，隔離所需電源的電流大約為5mA。改進(jìn)設(shè)計時，由于ADI公司的ADuM5241除了實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離作用外，還內(nèi)置了DC/DC轉(zhuǎn)換器，能向該芯片隔離端提供電源，并向采用5V電源的各種應(yīng)用提供高達(dá)10mA的電流。故采用ADuM5241器件代替DCR01和IL712器件，實現(xiàn)了同樣的功能，同時節(jié)約了空間，減少了器件，降低了成本。

　　結(jié)語

　　隨著數(shù)字電路和通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)字隔離器件得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了最新幾種數(shù)字隔離技術(shù)及器件的工作原理和優(yōu)缺點，電路設(shè)計師可根據(jù)具體的電路特點，選擇合適的數(shù)字隔離器件。