經(jīng)常有電子工程師網(wǎng)友提出這樣的問題，在系統(tǒng)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(shù)字隔離器產(chǎn)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(shù)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(tǒng)和低壓（安全電路）系統(tǒng)之間的電氣連接，以保護用戶以及電路系統(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(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)過進一步放大后輸出。它的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，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(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設備及微機接口中。

　　隨著近幾年數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔粩嗵嵘瑐鹘y(tǒng)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(shù)據(jù)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(wěn)定，為其應用帶來局限，特別是在工業(yè)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(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磁耦隔離技術的標準數(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換的缺點，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，遠高于傳統(tǒng)光耦，高達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(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。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，當信號長時間不發(fā)生變化時，輸入側的更新電路也會定時發(fā)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(tài)，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(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，包括標準數(shù)字隔離器、采用iso Power的數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅動器的數(shù)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(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，幾乎任何應用都可以找到一款合適的iCoupler產(chǎn)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(shù)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(yè)務集團的PowerSCOE系統(tǒng)提供了其高度集成的iCoupler數(shù)字隔離解決方案。作為一個先進的衛(wèi)星電源保護系統(tǒng)，當衛(wèi)星出現(xiàn)異常時，它能在幾微秒內關閉衛(wèi)星中的數(shù)千瓦電源。西門子航空航天業(yè)務集團設計該系統(tǒng)時還考慮到其它技術，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技術的領先優(yōu)勢。

　　二是，客戶利用ADI的iCoupler和isoPOWER技術帶有集成隔離電源的數(shù)字隔離器，設計了非常小型化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）。這個設計在使設備極小的同時，保證了足夠的隔離強度，以保護現(xiàn)場工作人員的安全。

　　數(shù)字隔離器選型步驟

　　如何在設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(wǎng)條件？（220V民用電網(wǎng)/工業(yè)用電網(wǎng)）

　　B. 實際的應用環(huán)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(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(shù)字隔離器后，在PCB布板時仍然要謹慎考慮耐高壓的安規(guī)需求。

　　隔離器未來的技術挑戰(zhàn)

　　隔離器未來的技術發(fā)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。