浅谈数字隔离器件的选型与应用

引言

数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统和航空航天电子设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣的场合。数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声。另一个重要原因是保护器件(或人)免受高电压的危害。厂商的产品手册中所列出的隔离等级(isolation rating)应符合美国保险商实验室 (UL 1577)、国际电工委员会 (IEC 60747-5-2、IEC 61010-1)以及加拿大标准协会 (CSA Component Acceptance Notice 5A) 制定的有关隔离器标准。

数字隔离器件的生产商很多，如安华高、TI、ADI、NVE(nonvolatile electronics Inc)、芯科实验室(Silicon Laboratories)等公司，各厂商的产品都得到了广泛的应用。依照数字式隔离电路的生产工艺、电气结构和传输原理，数字隔离电路主要分为光学、电感以及电容耦合技术的数字隔离器件。产品有消费设备、工业控制、军用、航空航天等多个级别供用户选择。

各类数字隔离器件的工作原理及特点

光电隔离器

光耦合器(optical coupler)也叫光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件。发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)被封装在同一管壳内，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得了广泛的应用。其电路结构相对较为简单，主要由砷化镓红外发光二极管和用作检测器的光敏二极管或三极管组成，有些产品在光敏二极管或三极管的后级添加一些处理电路，使其特性适合于一些特殊的应用或实现一些标准接口。安华高公司的高速CMOS接口光耦合器HCPL-0723的原理框图如图1所示。

图1 安华高公司耦合器HCPL-0723的原理框图

光耦合长久以来一直用于工业网络，电气层接口的早期参考设计中通常包括光耦合器。其主要优势是光线具有抗外部电磁场干扰的固有特性，而且光耦合可实现稳态信息的传输。不足之处在于传输速度有限、功耗大并且发光二极管(LED)易受时间及温度的影响而老化。

电感式隔离器

与光耦合一样，电感耦合也有较长的应用历史，但通常仅用于电源或模拟隔离器，而非数字器件。但随着制造工艺的进步和研发设计水平的提高，电感式数字隔离器件得到了迅速的发展和广泛的运用。

电感耦合使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信。电感耦合的优势之一是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声。另一个优势是信号能量的转换效率极高，因而可以实现低功耗隔离器。缺点之一是易受外部磁场(噪声)的干扰。马达控制等工业应用在磁场环境中通常需要隔离。电感耦合另一个值得关注的问题是数字数据与数据游程长度(Data run-length，连续“1”或“0”的数目)的传输。初级绕组与次级绕组之间的耦合能够以可接受的衰减量传递一定频率范围的信号。数据游程长度的限制或时钟编码要求信号必须保持在变压器的可用带宽范围内。使用电感耦合的通用数字隔离器需要对信号进行处理才能传输并重建数字信号，以及传输代表一长串“1”或“0”的低频信号，甚至直流电平。

变压器是一个最常见的例子：初级绕组及次级绕组的结构(单位长度的圈数)、磁芯介电常数以及电流强度决定了磁场强度。根据对数字信号编解码的不同，主要有以采用脉冲调制(ADI公司)和射频调制(芯科实验室)为主的两类产品。而采用巨磁电阻(GMR)效应技术设计的数字隔离器件是另一个例子，以NVE公司和安华高公司为代表。

脉冲调制变压器隔离器件

ADI公司的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件。平面变压器采用CMOS金属层，顶部镀了一层金用于钝化。在镀金层下面的抗高击穿电压的聚酰亚胺层将其顶部的变压器线圈和底部线圈隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本方法。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题，功耗降低了90%，并且无需外部驱动器或分立器件。

数字信号的传送是通过发送大约1ns宽的短脉冲到变压器另一端来实现的，两个连续的短脉冲表示一个上升沿，单个短脉冲表示下降沿。信号传送框图如图2所示。次级端有一个不可重复触发的单稳态电路产生检测脉冲。如果检测到两个脉冲，输出就被置为高电平。相反的，如果检测到单个脉冲，输出就置为低电平。采用一个输入滤波器有助于提高噪声抗扰能力。如果1ms左右没有检测到信号边缘，发送刷新脉冲信号给变压器来保证直流的正确性(直流校正功能)。如果输入为高电平，就产生两个连续的短脉冲作为刷新脉冲，如果输入为低电平，就产生单个短脉冲刷新。这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入是很重要的。为了补充驱动器端的刷新电路，在接收器端采用了一个监视定时器来保证在没有检测到刷新脉冲时，输出处于一种故障安全状态。ADI公司ADuM1100器件原理框图如图3所示。

图2 ADI公司iCoupler系列数字信号传输框图


图3 ADI公司ADuM1100器件原理框图

射频调制变压器隔离器件

芯科实验室公司是采用射频调制变压器技术研发生产数字隔离器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套专利架构为基础，利用标准全CMOS工艺制造多组芯片级变压器，能够提供整合度最高的4通道隔离功能。产品中采用的射频编码和译码机制使得不需要特别考虑或初始设定，就能提供可靠的隔离数据路径。芯科实验室公司产品的优点与ADI公司的产品类似，但也有一个很明显的缺点。由于采用射频调制，内部有2.1GHz的载波产生及检测，载波和谐波会对外界产生电磁辐射，不过电磁辐射值满足FCC(美国通信委员会)标准要求。该公司射频调制隔离器件的实现原理框图如图4所示。

图4 射频调制隔离器件实现原理框图

巨磁电阻隔离器件

NVE公司的IL系列和安华高公司的HCPL-90XX/09XX系列高速数字隔离器件是采用巨磁电阻技术集成的高速CMOS器件。在GMR隔离器中，输入端信号在低电感线圈感应电流，产生正比的磁场。总的磁场改变GMR的电阻，通过CMOS集成电路分析，输出就是输入信号的精确重生。该类器件优点与别的电感式器件类似，但有几个明显的缺点：上电或初始状态时输入与输出可能状态不一致;对输入噪声敏感，伴随一个噪声尖峰，输出不稳定，有可能与输入不一致，也可能一致，还可能会振荡;对较缓的脉冲上升沿，输出可能随输入变化，可能不变，还可能会振荡;输出有过冲;无直流校正功能，无法传输直流信号。NVE公司巨磁电阻隔离器件IL710的实现原理图如图5所示。

图5 NVE公司IL710实现原理框图

电容耦合隔离器件

电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输。电容器极板之间的材料是电介质绝缘体(二氧化硅)，即隔离层，这种高性能的绝缘体具有很稳定的可靠性和耐用性以及抗磁干扰能力和抗瞬态电压能力。电极板的大小、板间距离以及电介质材料决定了电气特性。采用电容隔离层的优势是效率高，无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。这种高效特性使得实现低功耗及低成本的集成式隔离电路成为可能。抗干扰性则使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作。与变压器不同的是，电容耦合的缺点在于无差分信号，并且噪声与信号共用同一条传输通道。这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率，以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗而对噪声呈现高阻抗。如同电感耦合一样，电容耦合也存在带宽限制，并需要时钟编码数据。

TI公司的ISO72x系列数字隔离器采用电容耦合技术。电容耦合解决方案使用了经过验证的低成本制造工艺，能够提供固有的抗磁场干扰特性。ISO72x使用“AC”与“DC”两种通道进行通信，如图6所示。“AC”通道不经过编码，而是经单端至差分转换后直接通过隔离层传输数据。差分信号传输的优点是可抑制接收机的共模噪声。共模抑制与耦合介质(对噪声呈现高阻抗，对高频数据呈现低阻抗)共同实现了瞬态抗干扰功能。“DC”通道将输入数据转换成脉宽调制(PWM)格式，并使用差分方式通过隔离层传输数据。PWM与隔离层接收侧的脉宽解调器(PWD)可确保稳态条件(1或0的长字符串)下能够正确通信。此外，“DC”通道还可提供自动防护功能。自动防护指的是在出现输入故障的情况下对输出状态的判断。ISO72x系列器件使用载波检测功能来确定输入结构的电源是否处于“开启”以及该结构是否正在运行。如果该载波检测器在4ms内未检测到脉冲，则会将输出设置为逻辑高电平。

图6 TI公司ISO72X系列实现原理框图

各类数字隔离器件性能比较

表1对各类数字隔离器件的性能指标进行了归纳比较，供研发设计师在设计产品时参考。各公司的隔离器件只要通道数相同，都采用相同的封装，引脚相互兼容，仅有部分引脚定义稍有差异，大多数情况下都可相互替换。产品设计师可根据具体需要选择不同公司的产品，也可在调试时更换，给产品设计留下了更多的选择空间。

应用实例

ADuM1100应用

某便携产品设计时收发模块需向信号处理模块提供0、1电平的状态线1根和40MHz方波时钟，系统要求信号处理模块需对这两根信号线进行隔离接收。最初设计时选用了安华高公司的光电隔离器HCPL-063实现状态线的隔离，NVE公司的IL710实现时钟的隔离。改进设计时，电路板不变，充分利用ADI公司ADuM系列隔离器件的直流校正功能，直接用ADuM1100替代HCPL-063和IL710，实验结果性能良好。当然，也可用TI公司的ISO721替代。若电路板重新设计，则可选用双通道具有直流校正功能的隔离器件，如ADI公司的ADuM1200或TI公司的ISO7220，来替代单通道的HCPL-063和IL710器件。

ADuM5241应用

某通信设备的控制模块需与外部设备通过RS-422异步串口进行通信，系统要求通信设备的控制模块内异步串口需与其它电路进行隔离。开始设计时，选用TI公司的隔离电源转换芯片DCR01，将内部一路+5V电源转换成一路单独+5V，给隔离芯片IL712和电平转换芯片RS422供电，隔离所需电源的电流大约为5mA。改进设计时，由于ADI公司的ADuM5241除了实现数字信号的隔离作用外，还内置了DC/DC转换器，能向该芯片隔离端提供电源，并向采用5V电源的各种应用提供高达10mA的电流。故采用ADuM5241器件代替DCR01和IL712器件，实现了同样的功能，同时节约了空间，减少了器件，降低了成本。

结语

随着数字电路和通信产业的飞速发展，数字隔离器件得到了广泛的应用。本文介绍了最新几种数字隔离技术及器件的工作原理和优缺点，电路设计师可根据具体的电路特点，选择合适的数字隔离器件。■

参考文献

　　1. Chris Sterzik. 数字隔离技术原理与新型电容耦合数字隔离器. TI公司

　　2. Scott Wayne. iCoupler数字隔离器保护工业、仪器和计算机应用中的RS-232、RS-484和CAN总线

　　3. 安华高公司. HCPL-0723数据手册. AV01-0566EN.pdf, 2007年9月

　　4. 安华高公司. HCPL-0900数据手册. AV02-0137EN.pdf, 2007年5月

　　5. ADI公司. ADuM1100数据手册. ADuM1100.pdf, REV.E

　　6. NVE公司. IL710数据手册.IL710.pdf, 2005年5月

　　7. TI公司. ISO72X手册.SLLS629B.pdf, 2006年5月