为安全起见,平衡隔离器的主要元件

多年来,工业,医疗和其他隔离系统的设计人员在实施安全隔离方面的选择有限:唯一合理的选择是光耦合器。如今,数字隔离器在性能,尺寸,成本,功效和集成方面具有优势。了解数字隔离器三个关键元件的性质和相互依赖性对于选择正确的数字隔离器非常重要。这些元素是绝缘材料,它们的结构和数据传输方法。

由于安全规定,设计人员采用隔离措施,或者减少接地环路等的噪声。电隔离确保数据传输,而无需电气连接或泄漏路径,否则可能会造成安全隐患。然而,隔离带来诸如延迟,功耗,成本和尺寸的限制。数字隔离器的目标是在满足安全要求的同时尽量减少招致的处罚。

光耦合器,传统的隔离器,将受到最大的惩罚。它们消耗高水平的功率,并将数据速率限制在1 Mbps以下。更高的功率效率和更高速度的光电耦合器可用,但施加更高的成本损失。

数十年前引入了数字隔离器来减少光耦合器的处罚。他们使用基于CMOS的电路,并提供显着的成本和功率节省,同时显着提高数据速率。它们由前面提到的元素来定义。绝缘材料决定了固有的隔离能力,并被选择来确保符合安全标准。选择结构和数据传输方法来克服引用的处罚。所有这三个要素必须一起工作来平衡设计目标,但是不能妥协和“平衡”的目标之一是能够满足安全规定。

绝缘材料
数字隔离器使用代工CMOS工艺,并且仅限于铸造厂中常用的材料。非标准材料使生产复杂化,导致可制造性差和成本增加。常见的绝缘材料包括聚合物,如聚酰亚胺(PI),可作为薄膜旋涂,以及二氧化硅(SiO 2)。两者都具有众所周知的绝缘性能,并且已经用于标准的半导体处理多年。聚合物已经成为许多光电耦合器的基础,使其成为高压绝缘体的历史。

安全标准通常规定一分钟耐压额定值(通常为2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(通常为125 V rms至400 V rms)。一些标准还规定了更短的持续时间,更高的电压(例如,50μs的10kV峰值)作为增强绝缘的认证的一部分。如表1所示,基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器具有最好的隔离性能。

表1.隔离属性

基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器类似,在典型的工作电压下寿命更长。基于SiO 2的隔离器对浪涌提供较弱的保护,防止在医疗和其他应用中使用。

每个电影的内在压力也不同。聚酰亚胺比SiO 2具有更低的应力,并且可以根据需要增加厚度。SiO 2厚度,因此隔离能力是有限的; 与厚的SiO 2层有关的应力,例如15μm的量级,可能导致在隔离器的使用寿命期间的加工或分层过程中破裂的晶片。基于聚酰亚胺的数字隔离器使用厚度为26μm的隔离层。

隔离器结构

与使用LED光的光耦合器相比,数字隔离器使用变压器或电容器来磁性或电容耦合隔离屏障上的数据。

如图1所示,变压器通过线圈产生脉冲电流,产生一个小的局部磁场,在另一个线圈中感应出电流。电流脉冲短1ns,所以平均电流很低。

图1.(a)具有较厚聚酰亚胺绝缘的变压器,其中电流脉冲产生磁场以在次级线圈上感应电流; (b)使用低电流电场耦合穿过隔离屏障的薄SiO 2绝缘的电容器。

变压器也是不同的,并提供优异的共模瞬态抗扰度,高达100 kV /μs(光耦合器通常约为15 kV /μs)。磁耦合对于变压器线圈之间的距离的敏感度也比对板间距离的电容耦合的依赖性要小。这样可以使变压器线圈之间的绝缘层更厚,从而提高隔离能力。结合低应力聚酰亚胺薄膜,使用聚酰亚胺与使用SiO 2的电容器的变压器可以实现高水平的隔离。

电容器也是单端的,对共模瞬变的敏感性更高。差分对电容可以补偿,但这会增加尺寸和成本。

除了整体性能之外,使用变压器还有另一个好处:它们允许集成隔离电源。ADI公司的 ISO电源®技术,集成了一个隔离式DC-DC转换器,数据隔离,以创建一个完整的隔离解决方案。毕竟,变压器是隔离式DC-DC转换器的关键元件。这种解决方案不适用于电容器或LED的隔离器。

数据传输方法

光电耦合器使用来自LED的光通过隔离屏障传输数据:LED打开时为逻辑高电平,而为逻辑低电平时关闭。当LED亮起时,光耦合器会烧毁电源,使得光耦合器在功耗不受关注的情况下是一个糟糕的选择。大多数光电耦合器将信号调理留在输入和/或输出到设计者,这并不总是最容易实现的。

数字隔离器使用更先进的电路来编码和解码数据,从而允许更快速的数据传输和处理复杂,双向接口如USB和我的能力2 C.

一种方法将上升沿和下降沿编码为驱动变压器的双脉冲或单脉冲(图2)。这些脉冲被解码回到次级侧的上升沿/下降沿。与光耦合器相比,这样可以将功耗降低10倍至100倍,因为不像光耦合器那样持续供电。可以包含刷新电路来定期更新直流电平。

图2.一种传输数据的方法将边缘编码为单脉冲或双脉冲。

另一种方法使用RF调制信号的方式与光耦合器使用光的方式大致相同。逻辑高信号导致连续的RF传输。这通常被称为“开关”方案。这种方案的好处是可以使隔离屏障的数据传输速度更快; 但是,抖动有时会成为问题。而且,开 - 关方法比基于脉冲的方法消耗更多的功率,因为​​逻辑高信号持续地消耗功率。采用基于脉冲的方法,可以将功耗降至1μW,这是其他方法无法实现的。

差分技术也可以用于共模抑制。但是,这些最好用于差动元件,如变压器。

选择合适的组合

数字隔离器提供了重要的,引人注目的 优于光电耦合器在尺寸,速度,功耗,易用性和可靠性方面。在数字隔离器的类别中,绝缘材料,结构和数据传输方法的不同组合区分不同的产品,使得一些或多或少适合特定的应用。如上所述,聚合物基材料提供最强大的隔离能力; 这种材料几乎可用于所有应用,但最严格的,如保健和重工业设备,将获得最大的优势。为了获得最稳固的隔离效果,聚酰亚胺的厚度可能会超过电容器的合理厚度。因此,基于电容器的隔离可能最适合于不需要安全隔离的功能隔离。在那些情况下,基于变压器的隔离可能是最有意义的,

虽然每个设计人员都会选择一个适合自己或他的应用的适当平衡性能的隔离器,但三个参数往往会突出:定时,功耗以及隔离。要评估不同的技术,请考虑下面的图表,该图表利用基于时间除以针对功耗绘制的隔离功能的品质因数。在这种情况下,我们选择使用浪涌耐受阈值(一种上升时间为2μs,下降时间为50μs的高压脉冲来确定加强绝缘的适用性)来测量隔离能力。功耗是1 Mbps数据速率下每个通道的最大功率,单位为mW; 我们选择1 Mbps作为代表率,因为大多数对功耗敏感的应用都以适中的数据速率运行。为了计时,我们研究了一个信号通过隔离屏障的总时间延迟。因此,这不仅包括传播延迟,还包括抖动和输出上升和下降时间。

图3.不同隔离器特性的组合导致不同的品质因数位置。一个方面仍然是明确的:光电耦合器滞后于数字隔离器。

当以这种方式绘制时,可以看到数字隔离器占用的性能前沿。光电耦合器远远落后于边界,而近来光耦合器的改进使其更接近性能前沿,但仍远远落后于数字隔离器。人们也可以看到,不同的技术在边界上也占据不同的位置,变压器/聚酰亚胺数字隔离器采用脉冲编码方法,功率效率低得多,开关键控方法显示出更好的时序性能。

这个图表隐藏着不同数字隔离器厂商如何在这个边界上一代一代地移动的微妙细节。ADI公司的第二代解决方案在一方面降低了功耗,另一方面降低了总时序延迟。这些改变是在没有改变隔离能力的情况 Cap1供应商只沿一个方向前进,并通过增加隔离能力来实现; 但是,这样做增加了总时间延迟。这似乎是由于增加SiO 2厚度以实现更好的隔离减少了传输数据所需的耦合; 这又会降低性能。

概要

当他们开发数字隔离技术时,ADI公司考虑了数字隔离的四个要素中的各种差异,重点放在隔离材料,隔离元件以及跨越隔离屏障传输数据的方法。他们确定了核心 我耦合器技术将基于聚酰亚胺绝缘和芯片尺寸变压器,因为这种组合提供了最大的灵活性,不仅可以集成其他功能,如隔离电源,还可以使用不同的方法传输数据。我们已经使用了近14年的基于脉冲的方法继续提供优异的功率效率和时序性能,但仍然有可能使用其他方法来获得它们自己的好处。这一切都可以在不影响隔离能力的情况下完成,而隔离能力首先是设计师使用隔离器的主要原因。

作者:大卫Krakauer

David Krakauer是ADI公司的i Coupler产品线的市场经理。

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