簡介

     本白皮書的中心重點(diǎn)是設(shè)計(jì)能夠經(jīng)受嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境的隔離電路。工業(yè)電子設(shè)備通常使用高壓隔離器來保護(hù)系統(tǒng)和用戶免受潛在危險(xiǎn)電壓的傷害。眾所周知工業(yè)設(shè)備必須能夠在最嚴(yán)苛的環(huán)境中可靠地運(yùn)行，這些最嚴(yán)苛的環(huán)境包括正常標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)電磁場、電涌、快速暫態(tài)、以及高背景噪聲。對(duì)于為實(shí)現(xiàn)設(shè)備長期正常運(yùn)轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)可靠的隔離電路而言，該環(huán)境提出了挑戰(zhàn)。

     在過去的四十年，光電耦合器一直是“默認(rèn)”的信號(hào)隔離設(shè)備，但最近在硅基隔離技術(shù)上取得突破，可大量生產(chǎn)更小、更快、更可靠和更劃算的設(shè)備，這些設(shè)備已經(jīng)在許多終端應(yīng)用中開始取代光電耦合器。在目前市場上具有競爭力的硅基隔離器中，Silicon Labs公司的ISO_pro型系列隔離器是最先進(jìn)的隔離器，它可提供同類最佳的定時(shí)性能、電磁干擾（EMI）和外部場抗擾度、功耗、尺寸以及成本。本白皮書探討工業(yè)隔離問題和方法，可應(yīng)用RF射頻隔離技術(shù)，以便提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性和性能。

 RF射頻隔離器和光電耦合器的基本原理

     圖1顯示說明一個(gè)光電耦合器和ISO_pro型隔離器的頂級(jí)方框圖。如圖1a中所示，該光電耦合器是一個(gè)帶有一個(gè)發(fā)光二極管（LED）的混合部件，當(dāng)發(fā)生正向偏壓時(shí)，該發(fā)光二極管（LED）會(huì)發(fā)光，其亮度與發(fā)光二極管（LED）的正向電流成正比。所發(fā)射出的亮光穿過一層光學(xué)透明的絕緣薄膜（或者絕緣體），照在一臺(tái)光電檢測器上，同時(shí)產(chǎn)生一股電流，偏流打開輸出晶體管。當(dāng)發(fā)光二極管（LED）的正向電流沒有電流時(shí)，光發(fā)射停止，同時(shí)輸出晶體管關(guān)閉。

 圖1光電耦合器與ISO_pro型隔離器的基本運(yùn)行原理

     除使用一個(gè)RF射頻載波代替光載波以外（圖1b），ISO_pro型隔離器的基本運(yùn)行原理與光電耦合器的基本運(yùn)行原理是相似的。ISO_pro型隔離器是在一塊標(biāo)準(zhǔn)IC封裝基板中，由兩個(gè)連接在一起地相同的半導(dǎo)體芯片組成，這塊標(biāo)準(zhǔn)IC封裝基板由一個(gè)RF射頻傳輸器和接收器組成，該RF射頻傳輸器和接收器被一個(gè)差動(dòng)電容式隔離隔柵分隔。使用基本的on/off按鍵（OOK），將數(shù)據(jù)從輸入端傳送到輸出端。當(dāng)輸入電壓（VIN）是高電壓時(shí)，傳輸器產(chǎn)生一個(gè)RF射頻載波，穿過隔離隔柵，傳送到接收器。當(dāng)接收器檢測到足夠的同頻帶信號(hào)傳輸載波能量時(shí)，該接收器判斷提示在輸出電壓（VOUT）上是邏輯值1。當(dāng)輸入電壓（VIN）是低電壓時(shí)，傳輸器被關(guān)閉，同時(shí)沒有提供載波。因此，接收器不能檢測到同頻帶信號(hào)傳輸載波能量，同時(shí)該接收器判斷提示在輸出電壓（VOUT）上是邏輯低值。

 設(shè)備建造

     雖然ISO_pro型隔離器與光電耦合器兩者的基本運(yùn)行原理是相似的，但是兩者的物理實(shí)現(xiàn)是完全不同的。圖2a中顯示一個(gè)單道光電耦合器的X射線視圖。該光電耦合器的混合建造把發(fā)光二極管和輸出芯片連接到一個(gè)縱向分裂的引線框上。這兩個(gè)芯片被一道包含一個(gè)透明絕緣護(hù)盾的物理間隙分離開，該透明絕緣護(hù)盾本是降低無源輸入/輸出耦合電容。該光電耦合器的隔離擊穿電壓基本上由封裝塑料模具的復(fù)合物決定。注意光電耦合器的成本和集成度直接地隨通道數(shù)而增加，制造更高通道數(shù)的光電耦合器比制造其單片硅基光電耦合器更加難以實(shí)現(xiàn)。

 圖2a光電耦合器部件的X射線視圖          圖2b未封裝的6通道ISO_pro型隔離器

     圖2b中顯示ISO_pro型6通道數(shù)字隔離器的未封裝視圖。全部使用標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝工藝技術(shù)。每塊芯片包含六個(gè)完整的隔離器通道，其中每個(gè)通道由一個(gè)傳輸器電路、差動(dòng)線圈式隔離器隔柵電路和接收器電路組成。當(dāng)連接兩塊芯片時(shí)，每塊芯片的電容式隔離隔柵與另一個(gè)進(jìn)行串聯(lián)，使該通道的擊穿電壓加倍，以便提供更大的安全系數(shù)。

     不同于光電耦合器，每個(gè)ISO_pro型通道只占用較小的芯片區(qū)域，使制造劃算、高通道數(shù)的隔離器成為可能。另外，單片半導(dǎo)體工藝技術(shù)能夠使ISO_pro型技術(shù)與其它的半導(dǎo)體功能和工藝相結(jié)合，以便創(chuàng)造出具有內(nèi)置隔離功能的高集成度的產(chǎn)品，諸如：隔離模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和通信收發(fā)器。這些集成優(yōu)點(diǎn)使ISO_pro型產(chǎn)品比光電耦合器具有更寬廣、更全面的產(chǎn)品路線圖。

工藝技術(shù)

    在制造ISO_pro型隔離器中所使用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝技術(shù)是普遍使用的技術(shù)，事實(shí)上該技術(shù)可從所有主流的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠中獲得。互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)被用于數(shù)字產(chǎn)品中，諸如：微處理器、微控制器以及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、同時(shí)它也被用于模擬產(chǎn)品中，諸如：圖像傳感器、模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及集成通信收發(fā)器。互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）以其著名的低靜態(tài)功耗、高可靠性和經(jīng)濟(jì)性被應(yīng)用于高噪聲抗擾度。在過去的幾十年中，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝幾何尺寸一直再持續(xù)地減小，能夠制造具有增加功能性的性能的新產(chǎn)品，同時(shí)降低成本和功耗。相結(jié)合的電子工業(yè)的技術(shù)學(xué)習(xí)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的產(chǎn)品生產(chǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光電耦合器中所使用的基于GaAs技術(shù)的技術(shù)學(xué)習(xí)和產(chǎn)品生產(chǎn)。

 圖3  ISO_pro隔離通道方框圖（芯片頂視圖）

信號(hào)路徑

    上述圖3中圖示了ISO_pro型隔離器的差動(dòng)線圈式電容隔離信號(hào)路徑。隔離電容器板被安裝在頂層上，并且被埋入金屬層中，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)工藝氧化物被放置于提供絕緣功能、更低層的電容器板之間。主動(dòng)支持電路，諸如：傳輸器和接收器，被定位在相同的芯片上，但其應(yīng)該遠(yuǎn)離隔離電容。對(duì)于最大的共模抑制而言，信號(hào)隔離路徑從傳輸器到接收器完全是差動(dòng)線圈式。如圖4中所示，接收器的主動(dòng)差動(dòng)增益引發(fā)它，使其僅能夠識(shí)別它的V+和V-輸入信號(hào)之間的差別。任何共模電壓，諸如：RF射頻干擾或者共模暫態(tài)，都可出現(xiàn)在V+和V-輸入信號(hào)上，同時(shí)如圖4中所示，在差動(dòng)輸入時(shí)，可取消任何共模電壓。

圖4  ISO_pro差動(dòng)線圈式單隔離路徑的單通道示意圖

 系統(tǒng)注意事項(xiàng)

    不管如何安裝啟動(dòng)，隔離器必須符合針對(duì)強(qiáng)電隔離的安全標(biāo)準(zhǔn)。它們也必須足夠可靠，比其被安裝的設(shè)備使用得更長久，在工業(yè)界這可能意味著數(shù)十年的使用壽命。設(shè)計(jì)人員必須確保隔離電路可以承受引發(fā)物理損壞的電氣應(yīng)力，同時(shí)可抗防損壞數(shù)據(jù)的任何源點(diǎn)噪聲。因此，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)地考慮關(guān)鍵隔離器的操作運(yùn)行參數(shù)，諸如：共模暫態(tài)抗擾度、關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)，諸如：傳輸延遲和脈沖寬度失真、以及與電磁場相關(guān)的規(guī)格，諸如EMI和RF射頻磁化系數(shù)。持續(xù)工作電壓和故障前平均工作時(shí)間（MTTF）也是設(shè)備使用壽命的重要指標(biāo)。

 高壓絕緣可靠性

     絕緣可靠性直接地影響隔離器保護(hù)和防止用戶暴露于高電壓的能力，并且絕緣可靠性也是極為重要的性能。絕緣器是隔離格柵的“心臟”，同時(shí)也是維護(hù)系統(tǒng)安全的關(guān)鍵部件。絕緣性能應(yīng)該是始終如一的，沒有引發(fā)一次局部擊穿的真空，這是極其重要的一點(diǎn)。隔離器的一致性也是隔離器材料和制造工藝的一項(xiàng)功能。

     由于在制造期間所創(chuàng)建的真空，光電耦合器的注模塑料復(fù)合物的絕緣強(qiáng)度可變化高達(dá)300%。與此相反，ISO_pro型隔離器為其主絕緣器使用半導(dǎo)體氧化層。互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）氧化物沉積工藝被極其嚴(yán)格的控制、并且具有高度的一致性、而且絕緣強(qiáng)度中的結(jié)果變化率僅為20%。每層氧化層每微米（一米的百萬分之一米）具有500V_ACRMS的擊穿電壓。在芯片制造期間，通過簡單地堆疊氧化層來施加更高電壓（例如：5KV_ACRMS）。與光電耦合器相比，實(shí)質(zhì)上在一塊較小的尺寸中，其結(jié)果是一個(gè)更高的絕對(duì)最大擊穿電壓，并且絕緣器的可靠性是獨(dú)立于封裝工藝之外。

圖5  ISO_pro型隔離器和光電耦合器的故障前平均工作時(shí)間

     在圖5中將ISO_pro型隔離器和光電耦合器的故障前平均工作時(shí)間進(jìn)行比較。在相同的設(shè)備上和相同的條件下，測試ISO_pro型隔離器和光電耦合器。如圖5中所示，在25℃時(shí)，針對(duì)一個(gè)擊穿電壓為2.5KV_ACRMS、6通道的ISO_pro型隔離器，施加500V_DC直流電，所推算的故障前平均工作時(shí)間趨向于1×10⁸年。

 安全認(rèn)證

    國際安全標(biāo)準(zhǔn)提供測試方案和指南，確保終端設(shè)備安全，使其免受電擊、機(jī)械損壞、以及火災(zāi)和電磁干擾。在表1中，按照地理區(qū)域匯總了針對(duì)光電耦合器和其它類型隔離器（包括ISO_pro型隔離器）的部件級(jí)國際安全標(biāo)準(zhǔn)。

 表1 國際認(rèn)證機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)（光電耦合器的部件）

     隔離器分類包括“基本”型和“加強(qiáng)”型。基本型隔離旨在提供一個(gè)僅僅防止電擊的單級(jí)保護(hù)，并且不可認(rèn)為其是失效保護(hù)。雖然用戶可得到這些設(shè)備，但它們必須被包含在系統(tǒng)內(nèi)。基本型隔離設(shè)備在擊穿電壓為2.5KV_ACRMS時(shí)，進(jìn)行持續(xù)1分鐘的測試，安全度應(yīng)為100%，同時(shí)通常提供最小漏電為3.2mm。加強(qiáng)型隔離提供兩級(jí)保護(hù)，使這些設(shè)備失效保護(hù)，并且允許用戶可得到這些設(shè)備。這些加強(qiáng)型隔離設(shè)備在擊穿電壓為5KV_ACRMS時(shí)，進(jìn)行持續(xù)1分鐘的測試，安全度應(yīng)為100%，同時(shí)通常提供最小漏電為6.4mm。值得注意的一點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)范和目標(biāo)環(huán)境操作運(yùn)行條件，精確的漏電距離和額定的隔離電壓要求在不同系統(tǒng)之間是不同的。

     雖然在故障測試之下，監(jiān)控該設(shè)備可能危及安全，如測試標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，認(rèn)證測試包括使隔離器部件承受各種不同的應(yīng)力。

 表2 每個(gè)IEC60950的測試電壓

    表2是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IEC60950中所規(guī)定的電子強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)摘錄。所示測試電壓假定施加在同質(zhì)均勻連接封裝表面，諸如：僅為封膠樹脂。然而在光電耦合器和ISO_pro型隔離器的隔離隔柵中，使用不同的材料。

    例如：ISO_pro型隔離器的隔離隔柵應(yīng)用二氧化硅作為主絕緣器，并且使用塑模復(fù)合物作為次絕緣器。這類非同質(zhì)均勻、連接建造被稱為“膠接頭”，并且要求認(rèn)證機(jī)構(gòu)將表2中的測試電壓值增加1.6倍，對(duì)隔離器進(jìn)行驗(yàn)收測試。例如：支持一個(gè)峰值電壓或者一個(gè)354V直流工作電壓的加強(qiáng)型部件必須承受一個(gè)電壓為4800V_ACRMS的絕緣耐電勢的測試，測試時(shí)間持續(xù)1分鐘，以便通過針對(duì)額定電壓為4800V_ACRMS的機(jī)構(gòu)認(rèn)證，另外，制造商針對(duì)該隔離器的生產(chǎn)測試必須包括在其額定值的120%處，對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行持續(xù)1秒的測試。因此，為確保其完整性，上述所提及的354V隔離器將在電壓為5760V_ACRMS（4800Vrms×1.2）時(shí)，進(jìn)行持續(xù)1秒的生產(chǎn)測試。

 運(yùn)行功率

    光電耦合器要求在最小值時(shí)，電流對(duì)發(fā)光二極管（LED）加偏流，同時(shí)在輸出端上加一些偏流。輸入加輸出的總電流變化很大，這取決于光電耦合器的類型。當(dāng)正向偏壓時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管（LED）是低阻抗的，同時(shí)設(shè)備功耗隨發(fā)光二極管（LED）的正向電流而增加，其值變化范圍可從1mA到超過15mA以上。在某些情況中，發(fā)光二極管（LED）可能要求一個(gè)外置驅(qū)動(dòng)器，隨著BOM的復(fù)雜度和成本的增加，進(jìn)一步降低系統(tǒng)效率。光電耦合器的輸出電阻抗是可高或者可低的，這取決于其結(jié)構(gòu)架構(gòu)。當(dāng)發(fā)光二極管（LED）的正向電流為零值時(shí)，大多數(shù)低成本光電耦合器有一個(gè)簡單且高電阻抗的晶體管輸出，當(dāng)發(fā)光二極管（LED）的正向電流在其指定操作運(yùn)行范圍之內(nèi)時(shí)，大多數(shù)低成本光電耦合器有一個(gè)簡單且電阻抗相對(duì)較低的晶體管輸出。其它類型的光電耦合器（通常是較高速的光電耦合器）有一個(gè)主動(dòng)光電耦合器，和一個(gè)要求外部偏壓的輸出驅(qū)動(dòng)器。這類設(shè)備具有低輸出電阻抗，但要以犧牲增加總運(yùn)行電流為代價(jià)，該總運(yùn)行電流值的變化范圍可從15mA到超過40mA以上。

     與光電耦合器相比，ISO_pro型隔離器可顯著地提供更高的運(yùn)行效率。在10Mpbs、VDD=5.0V且負(fù)荷為15pF時(shí)，每個(gè)通道的電流消耗大約為1.7mA。當(dāng)其50Ω的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）輸出驅(qū)動(dòng)器可以提高或者降低4mA時(shí)，其高電阻抗輸入緩沖器僅僅消耗微安培的泄露電流。由于使用RF載波取代光波，摒棄高功耗的發(fā)光二極管，從而極大地降低了ISO_pro型隔離器的功耗。由于為了進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸和最小化功率損失，而對(duì)隔離電容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而使隔離路徑中的損失降低為最小值。ISO_pro型隔離器的功耗是相對(duì)持平的，實(shí)際上少于光電耦合器的功耗。對(duì)已增加的供電電流而言，唯一值得一提的貢獻(xiàn)者是增加了數(shù)據(jù)率，然而該增加值如圖6中所示是相對(duì)持平的。

圖6  ISO_pro型隔離器與光電耦合器的運(yùn)行穩(wěn)定性的電流消耗

     考慮到工業(yè)設(shè)備的正常使用壽命、長期可靠性和一致性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的首要關(guān)注的問題。光電耦合器的定時(shí)參數(shù)（例如：傳輸延遲和脈沖寬度失真）可以隨三個(gè)變量改變：燒毀發(fā)光二極管（LED）、發(fā)光二極管（LED）電流、以及運(yùn)行溫度。

    主光電耦合器的燒毀機(jī)制之一是發(fā)光二極管（LED）的光輸出（LOP），一個(gè)基于材料的現(xiàn)象，可導(dǎo)致發(fā)光二極管（LED）超時(shí)不發(fā)光。較低的光發(fā)射降低了光電檢測器所檢測的信號(hào)，對(duì)光電耦合器的定時(shí)性能和輸出電阻抗性能有不利影響。針對(duì)由砷化稼磷（GaAsP）和砷化鋁鎵（AlGaAs）所制造的各類發(fā)光二極管（LED）而言，圖7a和圖7b顯示了基于超過10000小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化光輸出的制造商的LOP數(shù)據(jù)。光輸出正常地降低隨著溫度升高和發(fā)光二極管（LED）的電流增大而惡化。在極度惡化情況下，光輸出可能降低到低于正常設(shè)備運(yùn)行所要求的最小值。

b.砷化鋁鎵（AlGaAs）型發(fā)光二極管（LED）         a.砷化稼磷（GaAsP）型發(fā)光二極管（LED）

圖7a和7b 光電耦合器制造商的LOP測試數(shù)據(jù)

    如（圖7a）中所示，LOP最多可以改變20%的標(biāo)稱光輸出，在運(yùn)行特性中，其可導(dǎo)致顯著的變化。此外，由于LOP的降低率部分地與發(fā)光二極管（LED）的電流相關(guān)聯(lián)，當(dāng)選擇發(fā)光二極管（LED）的正向電流運(yùn)行范圍時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮LOP的影響。例如：除降低共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）外，降低發(fā)光二極管（LED）的驅(qū)動(dòng)電流可換取延長設(shè)備的使用壽命。與此相反地是除縮短光電耦合器的使用壽命外，使用更高的發(fā)光二極管（LED）的驅(qū)動(dòng)電流可換取提高改善共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）。當(dāng)在額定運(yùn)行條件內(nèi)使用Silicon Laboratories股份有限公司的ISO_pro型隔離器時(shí)，Silicon Laboratories股份有限公司的ISO_pro型隔離器不能因任何燒毀機(jī)制而受到損害。

 定時(shí)特性

     在數(shù)字隔離器應(yīng)用中，定時(shí)特性是相當(dāng)重要的特性，其可確保系統(tǒng)正常和持續(xù)的運(yùn)行。在圖8中，將10Mbps的 ISO_pro型隔離器的傳輸延遲特性與一個(gè)有競爭力的數(shù)字光電耦合器的傳輸延遲特性進(jìn)行比較。使用不同的發(fā)光二極管（LED）電流，同時(shí)使用帶有和不帶有一個(gè)“峰化”電容器，來測量其傳輸延遲特性。

     注意：在本條件中所使用的20pF的峰化電容器與發(fā)光二極管（LED）的限流電阻并聯(lián)。為獲得更快的光電耦合器響應(yīng)速度，在開啟和關(guān)閉期間，該電容器可瞬間增大發(fā)光二極管（LED）的電流。

    如圖8中所示，在發(fā)光二極管（LED）的電流為0.5mA和1.0mA以及無峰化電容器時(shí)，曲線B和曲線C顯示了傳輸時(shí)間。如圖8中所示，在溫度為20℃時(shí)，發(fā)光二極管（LED）的電流降低0.5mA可致使傳輸時(shí)間增加50%（80ns到120ns），顯示了由發(fā)光二極管（LED）的電流和/或燒毀所引發(fā)的改變而產(chǎn)生大的定時(shí)變化。傳輸延遲不是對(duì)稱的；曲線A顯示在溫度為20℃時(shí)，一個(gè)從高到低的最快轉(zhuǎn)變傳輸時(shí)間大約為35ns，但從低到高的轉(zhuǎn)變時(shí)間是傳輸延遲時(shí)間的兩倍。因此，一個(gè)使用該部件的系統(tǒng)必須考慮這些不對(duì)稱的延遲，并且提供額外的時(shí)序余裕。雖然該范例顯示了傳輸時(shí)間中的變化，由于全部定時(shí)行為，包括LOP效應(yīng)將遵循與發(fā)光二極管（LED）發(fā)射有關(guān)的相同趨勢，注意其它的光電耦合器的定時(shí)參數(shù)，諸如：脈沖寬度失真、通道到通道的匹配、上升和下降時(shí)間等參數(shù)都是極其重要的。

 圖8 光電耦合器和ISO_pro型隔離器的傳輸延遲

    不同于光電耦合器，ISO_pro型隔離器的定時(shí)參數(shù)是內(nèi)部精準(zhǔn)定時(shí)電路的一項(xiàng)功能，并且在其信號(hào)路徑中是固定的傳輸延遲。全部定時(shí)參數(shù)僅隨VDD中的變化而發(fā)生極小的變化，并且超過溫度時(shí)，全部保持持平狀態(tài)。例如：在溫度和供電電壓之內(nèi)，上升和下降時(shí)間僅只變化1ns，并且在溫度為120℃時(shí)，最壞情況下的傳輸時(shí)間大約為9ns。表3顯示了與ISO_pro型隔離器進(jìn)行比較的一個(gè)50Mbps的光電耦合器的運(yùn)行特性。

 表3 光電耦合器和ISO_pro型隔離器的特性

 共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）

     在隔離應(yīng)用中，共模暫態(tài)是數(shù)據(jù)損壞的主要原因之一。以KV/ms為計(jì)量單位測量共模暫態(tài)抗擾度（CMTI），共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）指的是一個(gè)隔離器消除該隔離器輸入和輸出間所產(chǎn)生的噪音的能力。圖9a顯示了一個(gè)受共模噪音V_CM影響的光電耦合器。由于V_CM的改變?nèi)Q于快速暫態(tài)，盡管由制造商所添加的光電檢測器護(hù)盾通常減小寄生電容式輸入/輸出耦合，iLP和iLN要么增大發(fā)光二極管（LED）的電流，要么減小發(fā)光二極管（LED）的電流，在發(fā)光二極管（LED）的發(fā)射光中，引發(fā)一個(gè)瞬時(shí)變化。

                                圖9a 光電耦合器的等效電路                                        圖9b.ISO_pro型隔離器的等效電路

     光電耦合器在接地之間的寄生耦合通常是在皮可法拉的十分位范圍之中（例如：Avago HCPL-0703型光電耦合器的寄生耦合為0.6pF），其可極大地降低共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）。使用圖10中所示的“準(zhǔn)差動(dòng)線圈”式驅(qū)動(dòng)可將共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）改善提高一些程度，其中將發(fā)光二極管（LED）的限流電阻放置于該發(fā)光二極管（LED）的兩邊，在圖9中，每個(gè)發(fā)光二極管（LED）的限流電阻值是電阻R_LED的一半。

 圖10 光電耦合器與ISO_pro 型隔離器的共模暫態(tài)模塊

    如圖10的光電耦合器定時(shí)示意圖中所示，在光電耦合器的右邊接地（就左邊接地而言）上的一個(gè)正向接地瞬態(tài)導(dǎo)致發(fā)光二極管（LED）的電流產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)激增。該發(fā)光二極管（LED）的“短時(shí)脈沖干擾”可導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，這取決于瞬態(tài)的量值和該光電耦合器中所產(chǎn)生的寄生耦合的數(shù)值。例如：當(dāng)一個(gè)0.6pF耦合應(yīng)該保持關(guān)閉時(shí)，它可能瞬時(shí)錯(cuò)誤地打開該發(fā)光二極管（LED）。同樣地，當(dāng)一個(gè)反向瞬態(tài)應(yīng)該保持開啟時(shí)，它可能瞬時(shí)錯(cuò)誤地關(guān)閉該發(fā)光二極管（LED）。在由光電二極管的制造商所發(fā)布的應(yīng)用手冊中，詳細(xì)地探討了光電耦合器的內(nèi)在地低共模暫態(tài)抗擾度（CMTI），當(dāng)在高共模環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，如果處于開啟狀態(tài)時(shí)，建議正向驅(qū)動(dòng)該發(fā)光二極管（LED），如果處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，建議反向偏置該發(fā)光二極管（LED）。由于該技術(shù)是有效的，它可增加發(fā)光二極管（LED）的功耗，同時(shí)由于LOP而加速發(fā)光二極管（LED）的燒毀速度。在任何條件下，寄生耦合是不可避免的，同時(shí)降低光電耦合器的共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）性能。

     圖10的底圖中顯示了ISO_pro型隔離器，它帶有共模電壓V_CM和100mpF的輸入到輸出的電容器（C_CM），該電容器比該光電耦合器的電容器小六倍。其完全差動(dòng)線圈式隔離路徑濾掉共模電壓，同時(shí)除了載波頻率以外，其余的頻率，甚至對(duì)于更高頻率的噪音抗擾度都被高選擇性的接收器濾掉。針對(duì)這些原因，ISO_pro型隔離器通常有一個(gè)25KV/μs的共模暫態(tài)抗擾度（CMTI），實(shí)際上它比使用外置部件來改善提高共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）的大多數(shù)光電耦合器更高。

 電磁干擾（EMI）

     電磁干擾（EMI）指的是任何干擾或者其它干擾已認(rèn)證電子設(shè)備的有效性能的電磁干擾。因?yàn)樗c隔離器有關(guān)，輻射電磁干擾和傳導(dǎo)電磁干擾通常是可與其它電路和/或環(huán)境相耦合的高頻開關(guān)電路的產(chǎn)物。由于輻射電磁干擾通過自由空間從傳送器傳輸?shù)浇邮掌鳎暂椛潆姶鸥蓴_是以模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸，反之傳導(dǎo)電磁干擾通過一個(gè)導(dǎo)體進(jìn)行傳輸。標(biāo)準(zhǔn)FCC針對(duì)輻射電磁干擾和傳導(dǎo)電磁干擾設(shè)置了限制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在一個(gè)給定分類中的全部設(shè)備必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)。

     由不同認(rèn)證機(jī)構(gòu)所出版發(fā)行的規(guī)范對(duì)輻射電磁干擾和傳導(dǎo)電磁干擾設(shè)置了限制標(biāo)準(zhǔn)。最常用的規(guī)范之一是標(biāo)準(zhǔn)FCC的第15部分，其中涵蓋了國內(nèi)或者鄰國所使用的電路零部件。在一個(gè)露天環(huán)境中，使用一個(gè)大約高于地平面5米的10米天線，進(jìn)行本規(guī)范中所規(guī)定的檢測試檢。

     SAEJ1752-3是另一個(gè)規(guī)范，在其測試方法中更多地測試中心集成電路（IC），并且建議在一塊小電路板上安裝將被測試的集成電路（IC），同時(shí)當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，測量從該電路板所傳輸?shù)妮椛浞派洹?duì)于本測試而言，在標(biāo)準(zhǔn)CISPR-25中指定了針對(duì)不同頻率波段的輻射電磁干擾的限制設(shè)置。標(biāo)準(zhǔn)CISPR-25是自動(dòng)電磁干擾（EMI）規(guī)范SAE J1113的一個(gè)子規(guī)范。

     使用兩塊測試電路板檢測標(biāo)準(zhǔn)FCC的B類的第15部中所規(guī)定的電磁干擾（EMI）試驗(yàn)，每塊測試電路板包含一個(gè)嵌入式6通道ISO_pro型隔離器，增大與其連接的全部輸入，使內(nèi)置傳輸器的發(fā)射量達(dá)到最大值（例如：在兩塊嵌入式電路板上，以全速開關(guān)12通道）。盡管使用可增大電磁干擾（EMI）發(fā)射量的插槽，該ISO_pro型隔離器仍然通過了標(biāo)準(zhǔn)FCC的B類的第15部中所規(guī)定的電磁干擾（EMI）試驗(yàn)。該ISO_pro型隔離器主要通過將消場內(nèi)置差動(dòng)電圈式信號(hào)路徑、隔離電容器的尺寸、以及低功率主振蕩器相結(jié)合，獲得低電磁干擾（EMI）的運(yùn)行環(huán)境。根據(jù)要求，可從Silicon Laboratories股份有限公司獲得電磁干擾（EMI）圖。

 RF射頻抗擾度

     RF射頻抗擾度是隔離器消除局部強(qiáng)電磁場的能力，因此可維護(hù)數(shù)據(jù)的無錯(cuò)傳輸。直觀上可能假定外部RF射頻電磁場將干擾該ISO_pro型隔離器的內(nèi)置RF射頻數(shù)據(jù)傳輸。然而，由于其設(shè)計(jì)，該ISO_pro型隔離器顯示可抑制消除一個(gè)極高程度的外置RF射頻噪音。

     將ISO_pro型隔離器的差動(dòng)線圈式隔離信號(hào)路徑與高選擇性接收器相結(jié)合，抑制消除該ISO_pro型隔離器的內(nèi)置信號(hào)路徑中的局部電磁場感應(yīng)共模電壓。在該ISO_pro型隔離器的內(nèi)置差動(dòng)線圈式信號(hào)路徑的每邊之上的信號(hào)等級(jí)是緊密匹配的，將抑制消除在接收器的輸入處引發(fā)的共模電壓。然后該接收器僅在一個(gè)極窄頻率波段內(nèi)放大該差動(dòng)線圈式輸入電壓，并且抑制消除所有其它輸入。同時(shí)，這些機(jī)制抑制消除外部電磁場所產(chǎn)生的干擾，并且允許極高的共模暫態(tài)抗擾度（CMTI），而且可以在工業(yè)應(yīng)用常見的嚴(yán)苛電氣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

 圖12 ISO_pro型隔離器的磁場抗擾度

     如圖12中所示，ISO_pro型隔離器的磁場抗擾度允許將其用于大電機(jī)和其它可產(chǎn)生磁場的設(shè)備的旁邊。如果該隔離器周圍的磁場太強(qiáng)和/或太近，可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，這在理論上是可能的。然而在實(shí)際使用中，ISO_pro型隔離器為外部磁場提供極高的抗擾度，并且其業(yè)經(jīng)獨(dú)立地評(píng)估，可耐受至少1000A/meter的磁場強(qiáng)度（規(guī)范IEC 61000-4-8和規(guī)范IEC 61000-4-9中規(guī)定的磁場強(qiáng)度）。在距離該ISO_pro型隔離器0.1米處，將一個(gè)0.1m的導(dǎo)體通電，電流值為10⁷安培，可產(chǎn)生這類磁場。在任何運(yùn)行環(huán)境中都不可能存在這種條件。這類磁場在損壞ISO_pro型隔離器的隔離隔柵之前，極有可能破壞周圍電路。另外，ISO_pro型隔離器具有高電場抗擾度（最小值為20V/meter），該數(shù)值由獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量。

 靜電釋放（ESD）和電過載（EOS）

     靜電釋放（ESD）和電過載（EOS）事件，諸如：快速瞬態(tài)和電涌，可能由下列原因引起，這些原因包括交流電線路偏移、接地之間的共模暫態(tài)、雷擊、以及人員處理。靜電釋放（ESD）是這些原因的1個(gè)子原因，在集成電路（IC）封裝級(jí)的測試為與部件處理有關(guān)的設(shè)備穩(wěn)定性提供了一種測量方法。(見表4)

 表4  ISO_pro型隔離器的靜電釋放（ESD）測試一覽表

     雖然ISO_pro型隔離器比大多數(shù)光電耦合器有更高的靜電釋放（ESD）抗擾度，注意由將靜電釋放（ESD）直接施加到無源隔離器針?biāo)M成的測試是極其重要的。然而，一旦將其安裝在一塊電路板中，隔離器就成為一塊更大電路的一部分，在這塊電路上，處理相關(guān)的靜電釋放（ESD）沖擊，這些靜電釋放（ESD）沖擊經(jīng)常擴(kuò)散到更低電阻抗的電路路徑。因此，一個(gè)靜電釋放（ESD）值為額定4KV的隔離器可以正常可靠地運(yùn)行在一個(gè)靜電釋放（ESD）值為15KV的系統(tǒng)中。防止其它的電過載（EOS）應(yīng)力必須在系統(tǒng)水平上加以解決。這類注意事項(xiàng)包括使用合理的布局技術(shù)，將噪音值最小化、倍加注意縮短跟蹤路徑，將串聯(lián)電感值最小化（同時(shí)電路響鈴）、合理的偏置供電接地、通路和濾波、以及防止電壓和電流引發(fā)電涌。

 應(yīng)用范例

     不同于光電耦合器需要外置部件改善提高性能、提供偏置、或者限制電流，ISO_pro型隔離器僅需要兩個(gè)外置VDD旁路電容器（電容器值從0.22μF到1μF）來運(yùn)行。其TTL級(jí)兼容輸入終端僅產(chǎn)生微安培的漏泄電流，允許在沒有外置緩沖電路的情況下驅(qū)動(dòng)它們。輸出終端有一個(gè)50Ω的專用電阻抗（軌對(duì)軌的擺動(dòng)），并且在正向和反向通道配置中可獲得輸出終端。請(qǐng)注意作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯門電路，圖13中的電路對(duì)大多數(shù)應(yīng)用是普通電路并且易于使用。

 圖13 ISO_pro型隔離器的應(yīng)用示意圖

    圖14、15和16顯示了由光電耦合器供應(yīng)商所推薦的三種不同的電路，當(dāng)將其與ISO_pro型隔離器比較時(shí)，每種電路需要額外的外置部件。圖14顯示了一個(gè)已隔離的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯電路。在此處，當(dāng)為光電耦合器的發(fā)光二極管（LED）供電驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，一個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）輸入緩沖器提供正常的輸入邏輯等級(jí)。電阻R_L限制發(fā)光二極管（LED）的電流，同時(shí)峰化電容器Cp加速發(fā)光二極管（LED）的開啟和關(guān)閉時(shí)間，將傳輸延遲時(shí)間減少到大約300ns。輸出電路由一個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）施密特觸發(fā)器組成，其可改善提高上升和下降時(shí)間，同時(shí)提供額外的噪音抗擾度和低輸出電抗阻。

 圖14 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）驅(qū)動(dòng)器

 圖15高共模暫態(tài)抗擾度隔離器

圖16高等離子顯示驅(qū)動(dòng)器

    圖15中的電路以更高的功耗和縮短發(fā)光二極管（LED）的使用壽命換取改善的共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）。請(qǐng)注意本電路也可與圖14中的電路相結(jié)合，用以改善其共模暫態(tài)抗擾度（CMTI），但其需要額外的外置部件。電阻R1具有一個(gè)相對(duì)地低阻值，并且當(dāng)關(guān)閉Q1時(shí)，電阻R1對(duì)于已改善的共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）可正向驅(qū)動(dòng)該發(fā)光二極管（LED）。當(dāng)開啟晶體管Q1時(shí)，該發(fā)光二極管（LED）被關(guān)閉，分流該發(fā)光二極管（LED）的電流到接地。請(qǐng)注意無論該發(fā)光二極管（LED）是否開啟或者關(guān)閉，因?yàn)閺腣CC1中產(chǎn)生幾乎相同數(shù)值的電流，所以本電路的效能將會(huì)很低。

     圖16顯示了一個(gè)用于等離子顯示的高壓驅(qū)動(dòng)電路。輸入數(shù)字信號(hào)受到一個(gè)邏輯緩沖器的限制，該邏輯緩沖器也為該光電耦合器的發(fā)光二極管（LED）提供驅(qū)動(dòng)電流。該光電耦合器的輸出可驅(qū)動(dòng)一個(gè)600V的高邊/低邊驅(qū)動(dòng)器，反之，它可驅(qū)動(dòng)這些控制該顯示的高壓傳輸器。

     圖17、18和19顯示了在圖14、15和16中的電路上的ISO_pro型隔離器的影響。在所有情況下，當(dāng)其比光電耦合器傳輸更佳的定時(shí)性能、更低的功耗以及更高的可靠性時(shí)，ISO_pro型隔離器在尺寸和BOM中進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的縮減。圖17和18中的電路顯示ISO_pro型隔離器為圖14和15中所顯示的電路提供了一個(gè)單芯片解決方案。在圖19中，使用一個(gè)ISO_pro型隔離器的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了圖16中電路的功能，該ISO_pro型隔離器的驅(qū)動(dòng)器設(shè)備將RF射頻隔離技術(shù)和一個(gè)能夠傳輸高達(dá)4A峰值電流的全功能、高邊/低邊IGBT/MOSFET的驅(qū)動(dòng)器集于一身。

 圖17 六通道互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電平轉(zhuǎn)換器

 圖18六通道高共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）隔離器

 圖19單通道等離子顯示HV驅(qū)動(dòng)器

    圖20顯示了一個(gè)光電耦合器、供應(yīng)商推薦使用三個(gè)光電耦合器所實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場總線應(yīng)用、以及一個(gè)75ALS176D型差動(dòng)線圈式總線收發(fā)器。現(xiàn)場總線是一個(gè)工業(yè)串行通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)使用一對(duì)雙絞線串行鏈接。它與RS-485或者RS-422相似，并且可以在低速（1.5Mbps）或者高速（12Mbps）模式中運(yùn)行。圖21顯示了一個(gè)電路板級(jí)的工具，以及使用ISO_pro型隔離器的相同電路。

 圖20 隔離現(xiàn)場總線收發(fā)器

    除節(jié)省100多平方毫米空間外，當(dāng)其功耗小于該光電耦合器的一半功耗時(shí)，圖21中的ISO_pro型隔離器提供四次更快的傳輸延遲，三次更佳的脈沖寬度失真，兩次更快的上升和下降次數(shù)，以及25%更佳的共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）。另外，ISO_pro型隔離器不承受LOP或者其它燒毀機(jī)制。

圖21 光電耦合器和ISO_pro型隔離器的現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)

     除下列表4中概覽ISO_pro型隔離器的外置部件應(yīng)用以外，ISO_pro型隔離器的集成度顯著地節(jié)省電路板的空間和成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，并且簡化其設(shè)計(jì)。除圖13和15中的ISO_pro型隔離器以外，表4概述了BOM。

 表4 ISO_pro型隔離器和光電耦合器的電路實(shí)現(xiàn)

概要

     雖然光電耦合器多年來一直是主流信號(hào)隔離設(shè)備，但隨著RF射頻隔離器的出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)人員可選用一種更小、更快、集成度更高、以及更低功耗的隔離器，它沒有光電耦合器的穩(wěn)定或者燒毀機(jī)制。ISO_pro型隔離器在所有RF射頻隔離器中是一種性能最佳的隔離器，并且允許設(shè)計(jì)人員在一種單封裝中使用世界一流的隔離器技術(shù)，這如將其應(yīng)用為一個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯門一樣容易。ISO_pro型隔離器的優(yōu)點(diǎn)包括：

 l         更高集成度：在多通道型號(hào)上，每個(gè)通道具有更小尺寸和更低成本

l         更高性能：更快速、更短時(shí)間以及更低功率

l         更長使用壽命：沒有光電耦合器中的燒毀機(jī)制

l         更高可靠性：VDD、溫度以及設(shè)備使用壽命等運(yùn)行參數(shù)保持穩(wěn)定

l         高共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）：全差動(dòng)線圈式隔離信號(hào)路徑，以及用于大于25KV/μs的共模暫態(tài)抗擾度（CMTI）的高選擇性接收器

l         低電磁干擾（EMI）：符合標(biāo)準(zhǔn)FCC中B類第15部

l         高電場抗擾度：＞20V/m，該數(shù)值由獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室測量

l         業(yè)界領(lǐng)先的防靜電（ESD）耐受性：全部設(shè)備上為4KV HBM

l         更低外置材料清單：僅需要兩個(gè)廉價(jià)的VDD旁路電容器

l         易于使用：單芯片、完整隔離解決方案

    半導(dǎo)體工業(yè)的歷史就是一部不斷增強(qiáng)設(shè)備性能、使用每代工藝使設(shè)備性價(jià)比更高的歷史。單芯片設(shè)備一直再取代其混合型設(shè)備，并且RF射頻隔離器與混合光電耦合器相比是相同的。在工業(yè)和許多其它應(yīng)用中，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）型RF射頻隔離器將取代光電耦合器。這種趨勢已經(jīng)開始了。

 參考

 1.         Avago科技公司，Avago光電隔離選擇器目錄

2.         Avago科技公司，Avago光電設(shè)計(jì)師指南

3.         Silicon Laboratories股份有限公司，2009版Si84xx隔離器家族用電場干擾（EMI）測試報(bào)告

4.         Toshita公司，光電目錄BCE0034

5.         Toshita美國電子元器件股份有限公司，Roger Shih光電繼電器白皮書