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經常有電子工程師網友提出這樣的問題，在系統設計中，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公司數字隔離器產品高級應用工程師周曉奇，他就有關隔離器在電路中的作用、工程師在數字隔離器選型時應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)系統和低壓(安全電路)系統之間的電氣連接，以保護用戶以及電路系統安全，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，隔離器的主要結構大致有四種: 一是傳統光電耦合; 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：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管(LED)，使之發出一定波長的光，被光檢測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。它的主要優點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。 隨著近幾年數據傳輸的速度不斷提升，傳統的光耦合器也暴露出一些缺點，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(一般的數據速率低于1Mbps)、耗電量大等缺點，特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩定，為其應用帶來局限，特別是在工業應用中這些問題就比較突出。為了克服光電隔離技術的諸多缺點，許多半導體公司開始研發不發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磁耦隔離技術的標準數字隔離產品。 新型數字隔離器 周曉奇介紹說，iCoupler 技術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換的缺點，包括功耗過大、較大的時序誤差和數據速率受限等。事實上，由于無需驅動LED 的外部電路，iCoupler數字隔離器功耗僅為光電耦合器的1／10～1／50。 
iCoupler隔離變壓器可實現數千伏(5000V) 的隔離，其高耐壓的關鍵在于發送和接收變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達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，這種新型數字隔離器的優勢主要體現在：一，傳輸速度更快，遠高于傳統光耦，高達150 Mbps。二，靜態/動態電流更小。三，壽命更長，在耐高壓和耐擊穿的使用范圍內壽命甚至可達50年。四，可以集成標準CMOS工藝下的其他功能。五是可以在芯片內部實現隔離電源，并具有更小的體積和厚度。 iCoupler隔離器的工作原理是，當數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。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數字隔離器還集成了看門狗電路，當信號長時間不發生變化時，輸入側的更新電路也會定時發出相應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，會認為輸入端進入異常狀態，此時，輸出端的輸出信號會回到預先設定的默認值(圖2)。
周曉奇表示，從2001年，ADI推出第一款iCoupler隔離器產品，現已有10大系列、100多個種類，是目前業界種類最齊全的隔離器產品，包括標準數字隔離器、采用iso Power的數字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅動器的數字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門驅動器、隔離式I2C數字隔離器、隔離式RS-485收發器、隔離式RS-232器件和隔離式Σ-Δ型ADC等。可以說，幾乎任何應用都可以找到一款合適的iCoupler產品來滿足您的設計需求。 應用案例 采訪中，周曉奇還特別列舉了兩個iCoupler數字隔離器應用的成功案例。 一是，2012年，ADI為西門子航空航天業務集團的PowerSCOE系統提供了其高度集成的iCoupler數字隔離解決方案。作為一個先進的衛星電源保護系統，當衛星出現異常時，它能在幾微秒內關閉衛星中的數千瓦電源。西門子航空航天業務集團設計該系統時還考慮到其它技術，如智能電網電力監控等，但由于每個通道都包含輔助模擬輸入及數字和模擬輸出，因此最大的挑戰是要確保100個通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數字I/O。面對如此高的PC B密度，傳統的光耦合器和DC/DC轉換器解決方案已無能為力。最終ADI高度集成的iCoupler數字隔離器卓越的性能表現獲得了西門子的信賴，也再次驗證了iCoupler技術的領先優勢。 二是，客戶利用ADI的iCoupler和isoPOWER技術帶有集成隔離電源的數字隔離器，設計了非常小型化USB接口的工業級別的傳感器系列。這也得益于ADI的iCoupler系列產品，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)。這個設計在使設備極小的同時，保證了足夠的隔離強度，以保護現場工作人員的安全。 數字隔離器選型步驟 如何在設計中選擇合理和適用的數字隔離器，周曉奇給電子工程師們提出了幾點建議： 一．要了解自己的應用中的隔離強度需求： A. 實際應用中的工作電壓為多少？什么樣的電網條件？(220V民用電網/工業用電網) B. 實際的應用環境是怎樣的？(海拔高度/濕度條件/溫度條件) C. 在該應用中采取的隔離保護級別是怎樣的？保護對象是怎樣的類型？(功能性隔離/基本安全隔離/增強型安全隔離) D. 該應用應該符合哪個具體國際安全規范？ 二．了解自己對隔離器工作速度和接口的要求： A.在該應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．在選擇好數字隔離器后，在PCB布板時仍然要謹慎考慮耐高壓的安規需求。 隔離器未來的技術挑戰 隔離器未來的技術發展還將解決哪些技術上的關鍵問題，周曉奇認為，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、更先進的封裝技術。 |
