經(jīng)常有電子工程師網(wǎng)友提出這樣的問題，在系統(tǒng)設(shè)計中，很困惑的一個問題是，不知如何去選擇一個合理的、適用的隔離器。前兩天，記者采訪了ADI公司數(shù)字隔離器產(chǎn)品高級應(yīng)用工程師周曉奇，他就有關(guān)隔離器在電路中的作用、工程師在數(shù)字隔離器選型時應(yīng)該注意哪些步驟等問題，給電子工程師們一個很好的解答。

為什么要用隔離器

隔離器主要是用在隔離高壓(危險電路)系統(tǒng)和低壓(安全電路)系統(tǒng)之間的電氣連接，以保護(hù)用戶以及電路系統(tǒng)安全，以及隔離敏感電路(比如高精度檢測電路)和噪聲源(例如大功率開關(guān)電源)之間的連接，以減小噪聲干擾。

周曉奇說，隔離器的主要結(jié)構(gòu)大致有四種: 一是傳統(tǒng)光電耦合; 二是集成式變壓器(磁耦合);三是集成式電容耦合; 四是分立式變壓器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光檢測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。它的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。

隨著近幾年數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔粩嗵嵘?，傳統(tǒng)的光耦合器也暴露出一些缺點(diǎn)，例如，整個電路體積大，集成度不高，而且光電耦合器件本身具有易損耗、速度較慢(一般的數(shù)據(jù)速率低于1Mbps)、耗電量大等缺點(diǎn)，特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩(wěn)定，為其應(yīng)用帶來局限，特別是在工業(yè)應(yīng)用中這些問題就比較突出。為了克服光電隔離技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，許多半導(dǎo)體公司開始研發(fā)不發(fā)光的隔離器解決方案。周曉奇告訴記者，ADI公司是最早一家推出新型數(shù)字隔離器解決方案的公司，并于2001年率先推出基于其專有iCoupler磁耦隔離技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離產(chǎn)品。

新型數(shù)字隔離器

周曉奇介紹說，iCoupler 技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，每個iCoupler通道都由兩部分組成：CMOS接口電路和芯片級變壓器。而iCoupler隔離變壓器的核心正是這個能夠穿越隔離阻障并發(fā)射與接收信號的平面變壓器，它們不僅能夠提供隔離，而且消除了光耦合器中光電轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)，包括功耗過大、較大的時序誤差和數(shù)據(jù)速率受限等。事實上，由于無需驅(qū)動LED 的外部電路，iCoupler數(shù)字隔離器功耗僅為光電耦合器的1／10～1／50。

iCoupler隔離變壓器可實現(xiàn)數(shù)千伏(5000V) 的隔離，其高耐壓的關(guān)鍵在于發(fā)送和接收變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達(dá)20 μm 的聚酰亞胺材料作為隔離層，在4 mm×4 mm芯片上集成了4個變壓器(圖1)。周曉奇說，這種新型數(shù)字隔離器的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：一，傳輸速度更快，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光耦，高達(dá)150 Mbps。二，靜態(tài)/動態(tài)電流更小。三，壽命更長，在耐高壓和耐擊穿的使用范圍內(nèi)壽命甚至可達(dá)50年。四，可以集成標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的其他功能。五是可以在芯片內(nèi)部實現(xiàn)隔離電源，并具有更小的體積和厚度。

iCoupler隔離器的工作原理是，當(dāng)數(shù)字隔離器的輸入端接收到信號的上升沿或者下降沿時，會將這些信號編碼成雙脈沖或者單脈沖，并通過集成變壓器傳遞到另一側(cè)。同時通過解碼器將這些脈沖信號還原成和輸入信號相同的波形。與此同時，iCoupler數(shù)字隔離器還集成了看門狗電路，當(dāng)信號長時間不發(fā)生變化時，輸入側(cè)的更新電路也會定時發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號到輸出端，如果輸出端的看門狗電路長時間沒有收到任何信號，會認(rèn)為輸入端進(jìn)入異常狀態(tài)，此時，輸出端的輸出信號會回到預(yù)先設(shè)定的默認(rèn)值(圖2)。

周曉奇表示，從2001年，ADI推出第一款iCoupler隔離器產(chǎn)品，現(xiàn)已有10大系列、100多個種類，是目前業(yè)界種類最齊全的隔離器產(chǎn)品，包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器、采用iso Power的數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動器的數(shù)字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅(qū)動器、隔離式I2C數(shù)字隔離器、隔離式RS-485收發(fā)器、隔離式RS-232器件和隔離式Σ-Δ型ADC等。可以說，幾乎任何應(yīng)用都可以找到一款合適的iCoupler產(chǎn)品來滿足您的設(shè)計需求。


應(yīng)用案例

采訪中，周曉奇還特別列舉了兩個iCoupler數(shù)字隔離器應(yīng)用的成功案例。

一是，2012年，ADI為西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)的PowerSCOE系統(tǒng)提供了其高度集成的iCoupler數(shù)字隔離解決方案。作為一個先進(jìn)的衛(wèi)星電源保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)異常時，它能在幾微秒內(nèi)關(guān)閉衛(wèi)星中的數(shù)千瓦電源。西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)設(shè)計該系統(tǒng)時還考慮到其它技術(shù)，如智能電網(wǎng)電力監(jiān)控等，但由于每個通道都包含輔助模擬輸入及數(shù)字和模擬輸出，因此最大的挑戰(zhàn)是要確保100個通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數(shù)字I/O。面對如此高的PC B密度，傳統(tǒng)的光耦合器和DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案已無能為力。最終ADI高度集成的iCoupler數(shù)字隔離器卓越的性能表現(xiàn)獲得了西門子的信賴，也再次驗證了iCoupler技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢。

二是，客戶利用ADI的iCoupler和isoPOWER技術(shù)帶有集成隔離電源的數(shù)字隔離器，設(shè)計了非常小型化USB接口的工業(yè)級別的傳感器系列。這也得益于ADI的iCoupler系列產(chǎn)品，該系列傳感器的外觀非常緊湊(使用分立方案無法做到如此小的體積)，并且功耗非常低( 可以使用USB直接供電而不需要外部電源)。這個設(shè)計在使設(shè)備極小的同時，保證了足夠的隔離強(qiáng)度，以保護(hù)現(xiàn)場工作人員的安全。

數(shù)字隔離器選型步驟

如何在設(shè)計中選擇合理和適用的數(shù)字隔離器，周曉奇給電子工程師們提出了幾點(diǎn)建議：

一．要了解自己的應(yīng)用中的隔離強(qiáng)度需求：

A. 實際應(yīng)用中的工作電壓為多少？什么樣的電網(wǎng)條件？(220V民用電網(wǎng)/工業(yè)用電網(wǎng))

B. 實際的應(yīng)用環(huán)境是怎樣的？(海拔高度/濕度條件/溫度條件)

C. 在該應(yīng)用中采取的隔離保護(hù)級別是怎樣的？保護(hù)對象是怎樣的類型？(功能性隔離/基本安全隔離/增強(qiáng)型安全隔離)

D. 該應(yīng)用應(yīng)該符合哪個具體國際安全規(guī)范？

二．了解自己對隔離器工作速度和接口的要求：

A.在該應(yīng)用中的最高速率是多少？

B.一個封裝中需要多少個通道？

C. 在該應(yīng)用中的時序要求，例如信號延遲的要求。

D. 是否需要集成其他功能(I2C/USB/RS-485/集成隔離電源)。

三．價格(每通道價格)。

四．在選擇好數(shù)字隔離器后，在PCB布板時仍然要謹(jǐn)慎考慮耐高壓的安規(guī)需求。

隔離器未來的技術(shù)挑戰(zhàn)

隔離器未來的技術(shù)發(fā)展還將解決哪些技術(shù)上的關(guān)鍵問題，周曉奇認(rèn)為，主要需解決以下幾個方面的問題：1．更高的隔離電壓需求；2．更高的傳輸速度；3．更多樣化的接口和集成功能；4．壽命更長和更小的體積、更先進(jìn)的封裝技術(shù)。