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　　工業(yè)電路設(shè)計(jì)的工程師都要用隔離技術(shù)來解決安全問題、法規(guī)監(jiān)管，以及接地層問題。如果您的電路中做了隔離，就可以在兩個(gè)點(diǎn)之間交換信息和功率，而不會(huì)有實(shí)際的電流流動(dòng)。隔離有兩大好處。首先，它能防止人員和設(shè)備遭受到有潛在危險(xiǎn)的浪涌電流和電壓。其次，它可以防止意外的接地回路，從數(shù)據(jù)鏈路和其它互連對(duì)信號(hào)造成干擾。

　　數(shù)字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。

　　多年來，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數(shù)字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優(yōu)勢(shì)。了解數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵要素的特點(diǎn)及其相互關(guān)系，對(duì)于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個(gè)要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。

　　設(shè)計(jì)人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，隔離會(huì)帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在盡可能減小不利影響的同時(shí)滿足安全要求。

　　傳統(tǒng)隔離器——光耦合器則會(huì)帶來非常大的不利影響，功耗極高，而且數(shù)據(jù)速率低于1 Mbps。雖然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。

　　數(shù)字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關(guān)的不利影響。數(shù)字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節(jié)省成本和功耗，同時(shí)大大提高數(shù)據(jù)速率。數(shù)字隔離器由上述要素界定。絕緣材料決定其固有的隔離能力，所選材料必須符合安全標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的選擇應(yīng)以克服上述不利影響為目的。所有三個(gè)要素必須互相配合以平衡設(shè)計(jì)目標(biāo)，但有一個(gè)目標(biāo)必須不折不扣地實(shí)現(xiàn)，那就是符合安全法規(guī)。

　　絕緣材料

　　數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標(biāo)準(zhǔn)材料會(huì)使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ)，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

　　安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms至400 V rms)。某些標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)規(guī)定更短的持續(xù)時(shí)間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續(xù)50 μs)作為增強(qiáng)絕緣認(rèn)證的一部分要求?；诰酆衔?聚酰亞胺的隔離器可提高最佳的隔離特性，如表1所示。

　　基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時(shí)壽命更長(zhǎng)。基于SiO2的隔離器對(duì)浪涌的防護(hù)能力相對(duì)較弱，不能用于醫(yī)療和其他應(yīng)用。

　　各種薄膜的固有應(yīng)力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力低于SiO2薄膜，可以根據(jù)需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會(huì)受限;超過15 μm時(shí)，應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層。基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器可以使用厚達(dá)26 μm的隔離層。

　　隔離器結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字隔離器使用變壓器或電容將數(shù)據(jù)以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED光。

　　如圖1所示，變壓器電流脈沖通過一個(gè)線圈，形成一個(gè)很小的局部磁場(chǎng)，從而在另一個(gè)線圈生成感應(yīng)電流。電流脈沖很短(1 ns)，因此平均電流很低。

　　變壓采用差分連接，提供高達(dá)100 kV/μs的出色共模瞬變抗擾度(光耦合器通常約為15 kV/μs)。磁性耦合對(duì)變壓器線圈間距離的依賴性也弱于容性耦合對(duì)板間距離的依賴性，因此，變壓變壓器線圈之間的絕緣層可以更厚，從而獲得更高的隔離能力。結(jié)合聚酰亞胺薄膜的低應(yīng)力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實(shí)現(xiàn)高級(jí)隔離性能。

　　電容為單端連接，更容易受共模瞬變影響。雖然可以用差分電容對(duì)來彌補(bǔ)，但這會(huì)增大尺寸并提高成本。

　　電容的優(yōu)勢(shì)之一是它使用低電流來產(chǎn)生耦合電場(chǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高時(shí)(25 Mbps以上)，這一優(yōu)勢(shì)就相當(dāng)明顯。

　　數(shù)據(jù)傳輸方法

　　光耦合器使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁綦x柵的另一端：LED點(diǎn)亮?xí)r表示邏輯高電平，熄滅時(shí)表示邏輯低電平。當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，光耦合器需要消耗電能;對(duì)于關(guān)注功耗的應(yīng)用，光耦合器不是一個(gè)好的選擇。多數(shù)光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號(hào)調(diào)理留給設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)，而這并不一定是非常簡(jiǎn)單的工作。

　　數(shù)字隔離器使用更先進(jìn)的電路來編碼和解碼數(shù)據(jù)，支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復(fù)雜的雙向接口。

　　一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅(qū)動(dòng)變壓器(圖2)。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因?yàn)椴幌窆怦詈掀鳎?a target="_blank">電源無需連續(xù)提供給器件。器件中可以包括刷新電路，以便定期更新直流電平。

　　另一種方法是使用RF調(diào)制信號(hào)，其使用方式與光耦合器使用光的方式非常相似，邏輯高電平信號(hào)將引起連續(xù)RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因?yàn)檫壿嫺唠娖叫盘?hào)需要持續(xù)消耗電能。

　　也可以采用差分技術(shù)來提供共模抑制，不過，這些技術(shù)最好配合變壓器等差分元件使用。

　　選擇正確的組合

　　數(shù)字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。在數(shù)字隔離器領(lǐng)域，不同的絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法組合造就不同的產(chǎn)品，而不同的產(chǎn)品適合不同的具體應(yīng)用。如上所述，基于聚合物的材料提供最魯棒的隔離能力，這種材料幾乎適合所有應(yīng)用，但醫(yī)療保健和重工業(yè)設(shè)備等要求最嚴(yán)格的應(yīng)用受益最大。為了實(shí)現(xiàn)最魯棒的隔離，聚酰亞胺厚度可以超過對(duì)電容而言的合理厚度;因此，基于電容的隔離最適合不需要安全隔離的功能隔離應(yīng)用。在這種情況下，基于變壓器的隔離可能是最合理的，特別是結(jié)合差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。

　　ADI隔離器件的核心優(yōu)勢(shì)-iCoupler隔離器深解

　　ADI的iCoupler隔離器是基于芯片級(jí)變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)字隔離器件。與傳統(tǒng)光電耦合器中使用LED和光電二極管不同，這種技術(shù)支持更高的數(shù)據(jù)速率和更低的功耗，性能更加穩(wěn)定。由于采用晶圓級(jí)工藝制造，iCoupler能以較低成本相互集成，或是與其它半導(dǎo)體產(chǎn)品集成在一起，ADI帶隔離電源的全集成式隔離產(chǎn)品就是個(gè)很好的例證。

　　iCoupler技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于消除了與光耦合器相關(guān)的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問題，無需外部驅(qū)動(dòng)器或分立器件的同時(shí)還可將功耗降低90%。并且在同樣的信號(hào)數(shù)據(jù)速率下，iCoupler產(chǎn)品的功耗是光耦的十分之一到六分之一(例如，在3V電源、0-2Mbps條件下，每通道的最大電流為0.8mA)。

　　總體來說，在數(shù)字隔離器領(lǐng)域，不同的絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法組合造就了不同的產(chǎn)品，而不同的產(chǎn)品適合不同的具體應(yīng)用。新興應(yīng)用的隔離需求包括：更高的隔離電壓(更厚的聚酰亞胺)、更結(jié)實(shí)的隔離(新型數(shù)據(jù)架構(gòu))、高效的信號(hào)和電源隔離(以磁性物質(zhì)為代表的新型材料)和高帶寬隔離(先進(jìn)的工藝)。

　　目前還有哪些新興應(yīng)用對(duì)隔離器件有著較高的市場(chǎng)需求?

　　除了傳統(tǒng)的電源、儀器儀表、電機(jī)控制等領(lǐng)域、固態(tài)LED照明、新能源設(shè)備和智能電網(wǎng)都是ADI非常看好的領(lǐng)域。在無變壓器太陽能光伏逆變器中，大面板寄生電容，特別是薄膜面板，容易導(dǎo)致接地泄漏、損耗和EMI問題。如果直接注入電網(wǎng)，將嚴(yán)重影響配電變壓器、儀表數(shù)量飽和及損耗。從安全角度考慮，控制器及逆變器都需要具備更高轉(zhuǎn)換效率和EMI要求、更長(zhǎng)使用壽命和更寬溫度范圍的隔離技術(shù)。

　　智能電網(wǎng)帶來的不僅僅是變電站的技術(shù)升級(jí)，所有的電力設(shè)備都需要具有更強(qiáng)的接口、控制、保護(hù)、測(cè)量、通信和數(shù)據(jù)處理能力，這會(huì)對(duì)相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，特別是芯片產(chǎn)品提出嚴(yán)格挑戰(zhàn)。因?yàn)橐淮卧O(shè)備大部分在室外，對(duì)溫度范圍、抗干擾以及特殊環(huán)境要求增加，光隔離同樣面臨高溫、高熱以及長(zhǎng)壽命方面的挑戰(zhàn)。

　　ADI推出業(yè)界首款全隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ADE7913

　　Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)，全球領(lǐng)先的高性能信號(hào)處理解決方案供應(yīng)商，最近推出業(yè)界第一款全隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ADE7913，專為三相電能計(jì)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)。ADE7913 是一款3通道、Σ-Δ型ADC，集成 ADI 公司的 iCoupler?和isoPower? 專利技術(shù)，通過個(gè)額定5kV的隔離柵實(shí)現(xiàn)隔離式信號(hào)傳輸和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。它可使用分流電阻傳感元件，而非電流互感器(CT)，因此不受磁場(chǎng)干擾和竊電篡改的影響。使用分流電阻而非CT還可降低系統(tǒng)成本和尺寸。

　　ADI 推出業(yè)界首款全隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADE7913

　　ADI 公司能源部門總監(jiān) Ronn Kliger 表示：“過去，三相電表生產(chǎn)商不得不在易受外界磁場(chǎng)干擾的基于CT的架構(gòu)和基于分流阻、過于復(fù)雜且功能受限的分立元件架構(gòu)之間做出選擇。現(xiàn)在，有了集成同步ADC和電流隔離的元件，我們的客戶可以開發(fā)出功能豐富、經(jīng)濟(jì)有效的計(jì)量解決方案，且完全不受電磁干擾?！?/p>

　　ADE7913電能計(jì)量IC主要特性：

　　3個(gè)24位隔離式ADC：1個(gè)電流通道、2個(gè)電壓通道 集成isoPower?隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器 支持最多4個(gè)ADE7913電能計(jì)量IC同時(shí)由單晶振或外部時(shí)鐘計(jì)時(shí) 片內(nèi)溫度傳感器 集成基準(zhǔn)電壓源和穩(wěn)壓器 SPI串行接口

　　ADI 最近還發(fā)布了一款隔離式計(jì)量芯片組，專為三相電能計(jì)量應(yīng)用設(shè)計(jì)，可提供一流的三相計(jì)量和電能質(zhì)量監(jiān)控。

　　對(duì)電能計(jì)量客戶至關(guān)重要

　　ADI 公司提供的電能計(jì)量解決方案遠(yuǎn)超過其它任何半導(dǎo)體公司，采用 ADI 技術(shù)的電能表遍及全球，已將近5億塊。ADI 公司的電能計(jì)量IC以高品質(zhì)、高可靠性及高性能而領(lǐng)譽(yù)全球，其將ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和固定功能的DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)完美結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)精密計(jì)量的同時(shí)，還具有獨(dú)特的功能特點(diǎn)且易于使用。