3. 電路隔離器

    在允許通過電磁或光鏈路進(jìn)行模擬或數(shù)字信號傳輸?shù)耐瑫r(shí)，電路隔離器阻礙了各電路之間的低頻電流。數(shù)字隔離器傳輸二進(jìn)制信號，模擬隔離器則在隔離層上傳輸連續(xù)信號。在模擬和數(shù)字隔離器中，工作和峰值額定電壓以及共模瞬態(tài)抗擾度均為這種隔離層的重要特性。當(dāng)對數(shù)字信號進(jìn)行隔離時(shí)，隔離電路的這些重要特性為輸入和輸出邏輯電壓電平、信號速率、數(shù)據(jù)運(yùn)行長度以及自動防護(hù)響應(yīng)。

    傳統(tǒng)上而言，為滿足特殊需求時(shí)，變壓器、電容器或光電二極管晶體管及分立電路以輸入和輸出信號為條件。這種方法是有效的，但卻不能將其從一種應(yīng)用轉(zhuǎn)移至另一種應(yīng)用中。盡管這樣可能會保持模擬隔離器的情況，但市場中已經(jīng)出現(xiàn)了新一代數(shù)字隔離器，其使用創(chuàng)新電路在超過100Mbps直流電信號速率的條件下對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號進(jìn)行隔離。這些通用數(shù)字隔離器均具有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以下幾段內(nèi)容將對各種不同技術(shù)進(jìn)行介紹，并將具體產(chǎn)品同TI推出的新型ISO72x系列產(chǎn)品進(jìn)行對比。

    3.1 光耦合技術(shù)

    光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層(例如：空氣間隙)上的光傳輸，以達(dá)到隔離目的。圖5顯示了一款數(shù)字隔離器的主要組件。該電流驅(qū)動器采用數(shù)字輸入，并將信號轉(zhuǎn)換為電流來驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)。輸出緩沖器將光電探測器的電流輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字輸出。

圖5：基本光耦合機(jī)制。

    光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，光具有對外部電子或磁場內(nèi)在的抗擾性，而且，光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上。

    一個(gè)光耦合器的最大信號速率取決于LED能夠開啟和關(guān)閉的速度。從當(dāng)前可供使用的產(chǎn)品來看，最快的光耦合器是HCPL-0723，其可以達(dá)到50Mbps的信號速率。

    從輸入到輸出的電流傳輸比(CTR)是光耦合器的一個(gè)重要特性，LED一般會要求 10mA的輸入電流，以用于高速數(shù)字傳輸。這種比率對用于驅(qū)動LED的電流和由光電晶體管產(chǎn)生的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著時(shí)間的推移，LED變得更為低效，同時(shí)要求更多的電流來產(chǎn)生相同等級的亮度以及相同等級的光電晶體管輸出電流。在許多數(shù)字隔離器中，內(nèi)部電路控制LED驅(qū)動電流，并且用戶無法對逐漸下降的 CTR進(jìn)行補(bǔ)償。LED的優(yōu)勢減弱了，并且隨著時(shí)間的推移隔離器不再像以前那樣有效了。

    3.2 電感耦合技術(shù)

    電感耦合技術(shù)使用兩個(gè)線圈之間的變化磁場在一個(gè)隔離層上進(jìn)行通信。最常見的例子就是變壓器，其磁場大小取決于主級和次級繞組的線圈結(jié)構(gòu)(匝數(shù)/單位長度)、磁芯的介電常數(shù)，以及電流振幅。圖6顯示了一款具有信號調(diào)節(jié)電路模塊的變壓器。

圖6：電感隔離。

    電感耦合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設(shè)計(jì)允許噪聲和信號頻率重疊，但是會呈現(xiàn)出噪聲高共模阻抗和信號低差分阻抗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，信號能量傳輸可以為近100%的效率，從而使低功耗隔離器成為可能。

    電感耦合技術(shù)的主要缺點(diǎn)是對外部磁場(噪聲)的磁化。工業(yè)應(yīng)用通常要求磁場隔離，例如：馬達(dá)控制。數(shù)字變壓器傳輸中另一個(gè)缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)運(yùn)行長度。一個(gè)信號轉(zhuǎn)換器在某一頻率和振幅范圍內(nèi)傳輸信號，并且其失真可以接受。需要數(shù)據(jù)運(yùn)行長度限制或時(shí)鐘編碼來將該信號保持在可用變壓器帶寬內(nèi)。采用電感耦合技術(shù)的通用數(shù)字隔離器要求信號處理隨同傳輸?shù)皖l率信號(1或0長字符)的方法共同對數(shù)字信號進(jìn)行傳輸和重新構(gòu)建。NVE公司/Avago(安華高)公司推出的Isoloop，以及ADI(美國模擬器件公司)推出的iCoupler均使用了編碼功能，并提供了支持從DC到100Mbps運(yùn)行范圍的數(shù)字隔離解決方案。

    ADuM1100是ADI推出的iCoupler技術(shù)的一個(gè)例子。 ADuM1100使用一個(gè)基本的變壓器來實(shí)現(xiàn)在一個(gè)隔離層上傳輸信息。這種Isoloop技術(shù)(例如：HCPL-0900)使用一個(gè)如圖7所示的電阻器網(wǎng)絡(luò)來替換次級線圈。該電阻器由GMR(巨磁電阻)材料組成，這樣當(dāng)磁場發(fā)揮作用時(shí)該電阻會發(fā)生變化。電路感應(yīng)電阻的變化，并滿足其條件，以用于輸出。這種技術(shù)被首次引入市場時(shí)就切實(shí)地提高了AC性能，超過了現(xiàn)有光耦合器的性能?，F(xiàn)在，隨著ADI最近推出了更多的數(shù)字隔離器以及TI ISO72x系列器件的推出，這些Isoloop器件的性能已經(jīng)被超越。

圖7：GMR結(jié)構(gòu)圖。

    3.3 電容耦合技術(shù)

    電容耦合技術(shù)是在隔離層上采用一個(gè)不斷變化的電場傳輸信息。各電容器極板之間的材料是一個(gè)電介質(zhì)隔離器，并形成隔離層。該極板尺寸、極板之間的間隔和電介質(zhì)材料等都決定著電氣性能。

圖8：電容耦合。

    使用一個(gè)電容隔離層的好處是，在尺寸大小和能量傳輸方面的高效率，以及對磁場的抗擾度。前者使低功耗和低成本集成隔離電路成為可能；而后者使在飽和或高密度磁場環(huán)境下運(yùn)行成為可能。

    電容耦合技術(shù)的缺點(diǎn)是其沒有差分信號和噪聲，并且信號共用相同的傳輸通道，這一點(diǎn)與變壓器不同。這就要求信號頻率要大大高于噪聲預(yù)期頻率，這樣隔離層電容就呈現(xiàn)出信號的低阻抗，以及噪聲的高阻抗。使用了電感耦合以后，電容耦合就不能傳輸穩(wěn)定狀態(tài)信號，并需要時(shí)鐘編碼數(shù)據(jù)。

    3.3.1 TI推出的ISO721

    TI推出的ISO72x系列隔離器采用電容耦合技術(shù)。電容耦合解決方案采用業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的、低成本生產(chǎn)制造工藝，并對磁場具有內(nèi)在的抗擾度。

    為了提供恒定信息的傳輸，ISO72x使用一個(gè)高信號速率和低信號速率通道來進(jìn)行通信，如圖9所示。高信號速率通道未被編碼，并且其在一個(gè)單端到差分轉(zhuǎn)換之后的隔離層上傳輸數(shù)據(jù)。該低信號速率通道以一種脈寬調(diào)制格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并在隔離層上差分傳輸數(shù)據(jù)，從而確保了恒定狀態(tài)的精確通信(1和0的長字符)。

    單端邏輯信號在隔離層上的差分傳輸允許使用低電平信號和小耦合電容。這就呈現(xiàn)出對共模噪聲的高阻抗，并且，通過接收機(jī)的共模噪聲抑制，帶來了優(yōu)異的瞬態(tài)抗擾度，也即信號電容耦合需要解決的主要問題。

圖9：ISO72x與ISO72xM的結(jié)構(gòu)圖。

    3.4 隔離性能

    三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了對于隔離保護(hù)的必要性，其分別為UL 1577、IEC 60747-5-2和CSA。雖然每一種標(biāo)準(zhǔn)都稍有不同，但是均提供了一個(gè)對比隔離性能的標(biāo)準(zhǔn)。IEC、UL和CSA的測試證實(shí)了輸入和輸出之間電介質(zhì)擊穿以外的電壓。運(yùn)用這些標(biāo)準(zhǔn)非常簡單，因?yàn)闇y試標(biāo)準(zhǔn)和隔離方法無關(guān)。圖10顯示了隔離測試是如何將隔離器看作是兩端器件的。盡管每種器件的物理結(jié)構(gòu)存在差異，但隔離測試卻是在電介質(zhì)擊穿電壓上測定的。