關(guān)于隔離器件，你需要知道的三件事
作者：Tan, Yuan
各類隔離器是我們在做系統(tǒng)設(shè)計時常常會談及的話題，這篇文章將從以下三個方面展開介紹：
- 為什么需要隔離？
- 不同的隔離技術(shù)有什么不同？
- 有哪些隔離器件選型參數(shù)？
答案是隔離與可靠保護有關(guān)。電隔離是一種電路設(shè)計技術(shù)，允許兩個電路進行通信，可消除在它們之間流動的任何不需要的直流電。??
隔離常用于：
- 保護操作人員和低壓電路免受高電壓影響。
- 防止通信子系統(tǒng)之間的地電位差。
- 改善抗噪性能。
圖1? 隔離跨電介質(zhì)隔離層阻止不需要的直流電和交流電
不同的隔離技術(shù)有什么不同？絕緣技術(shù)三個要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。設(shè)計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。然而，隔離會帶來延遲、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滿足安全要求。
我們先看看絕緣材料的影響：
表1 常見絕緣材料
?此表列舉了常見的絕緣材料和對應(yīng)的隔離能力（Vrms/um）。光耦器件對材料透光性的要求，使得多選用空氣（Air）和環(huán)氧樹脂（epoxies）作為隔離材料。聚酰亞胺（polymide）多為磁隔產(chǎn)品選用。而容隔器件則選用絕緣強度最優(yōu)的二氧化硅（SiO2）材料。
隔離材料的選用會影響到器件的體積，如下是實拍對比圖，對比了TI的容隔產(chǎn)品ISO系列和市面上常見的光耦隔離器件，可以看到容隔器件有明顯的體積優(yōu)勢。
同時，相較于聚酰亞胺（polymide）,二氧化硅（ SiO2）的可靠性不會因為在潮濕環(huán)境工作而受到影響。
我們再從電路結(jié)構(gòu)來看，三種隔離方式的電路結(jié)構(gòu)如下圖：
圖3.1 光耦器件電路
圖3.2 磁隔器件電路
圖3.3 容隔器件電路
我們可以看到，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發(fā)出的光。這使得光耦方案的靜態(tài)電流，數(shù)據(jù)傳輸延遲，CMTI等性能都會較差。磁隔是通過變壓器電流脈沖通過一個線圈，形成一個很小的局部磁場，從而在另一個線圈生成感應(yīng)電流。電磁感應(yīng)的原理使得磁隔產(chǎn)品在不佳的電磁工作環(huán)境中出現(xiàn)噪聲干擾的可能性更大。而容隔產(chǎn)品是利用低電流電場將數(shù)據(jù)耦合到隔離柵的另一端，抗干擾性更強。
最后我們看看數(shù)據(jù)傳輸方式帶來的影響。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點亮?xí)r表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當(dāng)LED點亮?xí)r，光耦合器需要消耗電能；對于關(guān)注功耗的應(yīng)用，光耦合器不是一個好的選擇。
磁隔產(chǎn)品常用的數(shù)據(jù)傳輸方式，是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅(qū)動變壓器。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，因為不像光耦合器，無需連續(xù)提供電源給器件。這也解釋了為什么磁隔產(chǎn)品的功耗和數(shù)據(jù)速率成線性關(guān)系。
TI的容隔產(chǎn)品多采用on-off keying(OOK)調(diào)制方式，發(fā)送器發(fā)送一個高頻信號代表一種數(shù)字狀態(tài)，不發(fā)送信號代表另一種數(shù)字狀態(tài)。經(jīng)過信號調(diào)理后通過緩沖器發(fā)出。容隔器件的功耗基本不隨傳輸數(shù)據(jù)速率的變化而改變。
圖4 容隔器件的概念框圖
圖5 ON-OFF keying(OOK)調(diào)制
有哪些隔離選型參數(shù)？這里列舉了大家常在數(shù)據(jù)手冊中看到的參數(shù)，做了解釋。更詳細的參數(shù)含義可以參考這個鏈接：http://www.ti.com/lit/pdf/slyy063
表2隔離器件選型常見參數(shù)
這里不一一展開，我們來重點看一下creepage，clearance和DIT(Distance Through Insulation）這三個容易混淆的距離參數(shù)的含義。如下圖所示，clearance是兩側(cè)引腳通過空氣的最短距離，creepage是兩側(cè)引腳通過隔離材料表面的最短距離，DTI是通過導(dǎo)電體之間的隔離填充材料的最短距離。可以說，DIT指的是內(nèi)部距離，creepage和clearance指的是外部距離。
圖6 clearance, creepage, DTI示意圖（依次）
需要提醒的是，數(shù)據(jù)手冊的爬電距離參數(shù)的對象芯片，如果系統(tǒng)中有更短通路，那么這個更短距離才是這個電路的隔離爬電距離。這里舉個例子，下圖將兩顆超寬封裝ISO7841DWW（creepage是14mm）串聯(lián)工作，是否可以理解成該電路的爬電距離是28mm呢？答案是不可以。這是因為電路中除了數(shù)據(jù)傳輸通路還存在一個通路，即隔離電源電路。VCC1 和Viso2之間的爬電距離可能比D1和Diso2之間的爬電距離更短，而更短的距離值決定了電路的爬電距離值。
圖7 爬電距離電路示例
小結(jié)：這篇文章從三個常見問題入手：
- 隔離器件的用途，討論了隔離與可靠保護有關(guān)。
- 主流隔離技術(shù)包括光隔、磁隔、容隔的不同點和背后的原因， 重點從絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法進行闡述和對比。
- 隔離器件選型的主要參數(shù)、含義和注意事項，重點討論了爬電距離的含義。
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TI數(shù)字隔離器明星產(chǎn)品選型：TI的數(shù)字隔離器產(chǎn)品采用的是容隔技術(shù)，性價比高，產(chǎn)品種類齊全，可以涵蓋對隔離等級、通道需求和爬電距離的諸多需求。
這里列舉ISO77xx和ISO78xx系列選型表方便參考：
圖8 TI的ISO77xx和ISO78xx選型對照表
相關(guān)鏈接：improve your system performance by replacing optocouplers.pdf
how to replace optocouplrs with digital isolators in standards interface circuits.pdf
enabling high voltage signal isolation quality and reliability.pdf
distance through insulation- how digital isolators meet certification equirements.pdf