多年來，工業、醫療和其他隔離系統的設計人員在實施安全隔離時選擇有限：唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數字隔離器在性能、尺寸、成本、能效和集成度方面具有優勢。了解數字隔離器三個關鍵元件的性質和相互依賴性對于選擇合適的數字隔離器非常重要。這些元素是絕緣材料，其結構和數據傳輸方法。

設計人員采用隔離是因為安全法規或降低接地環路的噪聲等。電氣隔離可確保數據傳輸，而無需可能造成安全隱患的電氣連接或泄漏路徑。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等限制。數字隔離器的目標是滿足安全要求，同時最大限度地減少造成的處罰。

光耦合器是一種傳統的隔離器，其損失最大。它們消耗高功率，并將數據速率限制在 1 Mbps 以下。可提供更高功率、更高速的光耦合器，但成本損失更高。

數字隔離器于10多年前推出，旨在減少與光耦合器相關的損耗。它們使用基于CMOS的電路，在顯著提高數據速率的同時，可顯著節省成本和功耗。它們由前面提到的元素定義。絕緣材料決定了固有的隔離能力，選擇絕緣材料以確保符合安全標準。選擇結構和數據傳輸方法來克服上述處罰。所有這三個要素必須協同工作以平衡設計目標，但一個不能妥協和“平衡”的目標是滿足安全法規的能力。

絕緣材料

數字隔離器使用代工廠CMOS工藝，僅限于代工廠常用的材料。非標準材料使生產復雜化，導致可制造性差和成本增加。常見的絕緣材料包括聚合物，例如聚酰亞胺（PI）和二氧化硅（SiO），它可以作為薄膜紡絲。2).兩者都具有眾所周知的絕緣性能，并且已在標準半導體加工中使用多年。聚合物一直是許多光耦合器的基礎，使它們作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

安全標準通常規定一分鐘的耐壓額定值（通常為 2.5 kV rms 至 5 kV rms）和工作電壓（通常為 125 V rms 至 400 V rms）。一些標準還規定持續時間更短，電壓更高（例如，10 kV峰值，持續50 μs），作為增強絕緣認證的一部分。聚合物/聚酰亞胺基隔離器具有最佳的隔離性能，如表1所示。

基于聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器類似，在典型工作電壓下超過使用壽命。二氧化硅2基于隔離器的浪涌保護較弱，無法在醫療和其他應用中使用。

每部薄膜的固有應力也不同。聚酰亞胺的應力低于SiO2并且可以根據需要增加厚度。二氧化硅2厚度，因此隔離能力有限;與厚SiO相關的應力2例如，大約 15 μm 的層數可能會導致晶圓在加工過程中破裂或在隔離器使用壽命期間分層。基于聚酰亞胺的數字隔離器使用厚達26 μm的隔離層。

隔離器結構

與使用LED光的光耦合器相比，數字隔離器使用變壓器或電容器在隔離柵上以磁性或電容方式耦合數據。

如圖1所示，變壓器通過線圈脈沖電流，以產生一個小的局部磁場，在另一個線圈中感應電流。電流脈沖很短（1 ns），因此平均電流很低。

圖1.（a） 具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器，其中電流脈沖產生磁場，在次級線圈上感應電流;（b） 薄碳化硅電容器2絕緣使用低電流電場耦合跨越隔離柵。

變壓器還具有差分特性，具有出色的共模瞬態抗擾度，高達100 kV/μs（光耦合器通常約為15 kV/μs）。與電容耦合對板之間距離的依賴性相比，磁耦合對變壓器線圈之間的距離也不太敏感。這允許變壓器線圈之間的絕緣更厚，從而提高隔離能力。結合低應力聚酰亞胺薄膜，與使用SiO的電容器相比，使用聚酰亞胺的變壓器可以實現高水平的隔離2.

電容也是單端的，對共模瞬變具有更高的敏感性。差分電容對可以補償，但這會增加尺寸和成本。

除了整體性能之外，使用變壓器還有另一個好處：它們允許集成隔離電源。ADI公司的isoPower技術將隔離式DC-DC轉換器與數據隔離相結合，以創建完整的隔離解決方案。畢竟，變壓器是隔離式DC-DC轉換器的關鍵元件。基于電容或LED的隔離器無法實現這種解決方案。?

數據傳輸方式

光耦合器利用來自LED的光跨越隔離柵傳輸數據：LED在邏輯高電平時導通，在邏輯低電平時熄滅。當LED亮起時，光耦合器會消耗功率，這使得光耦合器在功耗方面是一個糟糕的選擇。大多數光耦合器將輸入和/或輸出端的信號調理留給設計人員，這并不總是最容易實現的。

數字隔離器使用更先進的電路對數據進行編碼和解碼，從而實現更快速的數據傳輸，并能夠處理復雜的雙向接口，如USB和I。2C.

一種方法將上升沿和下降沿編碼為驅動變壓器的雙脈沖或單脈沖（圖 2）。這些脈沖被解碼回次級側的上升沿/下降沿。與光耦合器相比，功耗降低了10×至100×因為不像光耦合器那樣連續供電。可以包括刷新電路以定期更新直流電平。

圖2.一種傳輸數據的方法將邊沿編碼為單脈沖或雙脈沖。

另一種方法使用RF調制信號的方式與光耦合器使用光的方式大致相同;邏輯高信號導致連續的射頻傳輸。這通常被稱為“開關”方案。該方案的好處是可以更快地跨越隔離柵傳輸數據;但是，抖動有時可能是一個問題。此外，開關方法比基于脈沖的方法消耗更多的功率，因為邏輯高信號持續消耗功率。使用基于脈沖的方法，功率可以降低到低至1 μW的水平，這是其他方法無法實現的。

差分技術也可用于共模抑制。但是，這些最好與變壓器等差分元件一起使用。

選擇正確的組合

與光耦合器相比，數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有顯著、引人注目的優勢。在數字隔離器類別中，絕緣材料、結構和數據傳輸方法的不同組合區分了不同的產品，使一些或多或少適合特定應用。如上所述，聚合物基材料提供最強大的隔離能力;這種材料幾乎可用于所有應用，但最嚴格的應用，如醫療保健和重工業設備，將獲得最大的優勢。為了實現最可靠的隔離，聚酰亞胺厚度可能會增加到超出電容器的合理范圍。因此，基于電容的隔離可能最適合于不需要安全隔離的功能隔離。在這些情況下，基于變壓器的隔離可能最有意義，特別是當與充分利用變壓器差分特性的差分數據傳輸方法結合使用時。

雖然每個設計人員都會選擇具有最適合其應用的適當性能平衡的隔離器，但有三個參數往往很突出：時序、功耗，當然還有隔離。要評估不同的技術，請考慮以下圖表，該圖表使用基于時序除以隔離能力的品質因數，并繪制出與功耗的關系圖。在這種情況下，我們選擇使用浪涌耐受閾值（具有2 μs上升時間和50 μs下降時間的高壓脈沖，用于確定增強絕緣的適用性）來測量隔離能力。功耗是 1 Mbps 數據速率下每通道的最大功率（以 mW 為單位）;我們選擇1 Mbps作為代表速率，因為大多數功耗敏感型應用都以適中的數據速率運行。對于時序，我們研究了信號穿過隔離柵的總時序延遲。因此，這不僅包括傳播延遲，還包括抖動和輸出上升和下降時間。

圖3.不同隔離器特性的組合導致不同的品質因數位置。有一個方面仍然很清楚：光耦合器落后于數字隔離器。

以這種方式繪制時，可以看到數字隔離器占據的性能邊界的存在。光耦合器的位置遠遠落后于前沿，雖然最近對光耦合器的改進使它們更接近性能前沿，但它們仍然遠遠落后于數字隔離器。人們還可以看到，不同的技術在前沿也占據了不同的位置，基于變壓器/聚酰亞胺的數字隔離器采用脈沖編碼方法，顯示出低得多的功率效率，而開關鍵控方法顯示出更好的時序性能。

隱藏在這張圖表中的是不同數字隔離器供應商如何沿著這一前沿從一代到下一代的微妙細節。ADI的第二代方法在一種情況下降低了功耗，在另一種情況下，降低了總時序延遲。這些更改是在不更改隔離功能的情況下進行的。Cap1 供應商僅沿邊界向一個方向移動，并通過提高隔離能力來實現;但是，這樣做會增加總時序延遲。這似乎是由于SiO的增加2厚度以實現更好的隔離，減少了傳輸數據所需的耦合;這反過來又會降低性能。

總結

ADI公司在開發數字隔離技術時，考慮了數字隔離四個要素的各種差異，重點關注絕緣材料、隔離元件以及跨越隔離柵傳輸數據的方法。他們確定，Core iCoupler技術將基于聚酰亞胺絕緣和芯片級變壓器，因為這種組合不僅提供了最大的靈活性，不僅可以集成其他功能，例如隔離電源，還可以允許使用不同的方法來傳輸數據。我們采用近14年的基于脈沖的方法繼續提供出色的功率效率和定時性能，但仍有可能采用其他方法，并具有自己的優勢。這一切都可以在不影響隔離能力的情況下完成，隔離能力是設計人員使用隔離器的主要原因。

審核編輯：郭婷