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　　工業電路設計的工程師都要用隔離技術來解決安全問題、法規監管，以及接地層問題。如果您的電路中做了隔離，就可以在兩個點之間交換信息和功率，而不會有實際的電流流動。隔離有兩大好處。首先，它能防止人員和設備遭受到有潛在危險的浪涌電流和電壓。其次，它可以防止意外的接地回路，從數據鏈路和其它互連對信號造成干擾。

　　數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優勢。

　　多年來，工業、醫療和其他隔離系統的設計人員實現安全隔離的手段有限，唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優勢。了解數字隔離器三個關鍵要素的特點及其相互關系，對于正確選擇數字隔離器十分重要。這三個要素是：絕緣材料、結構和數據傳輸方法。

　　設計人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規或者降低接地環路的噪聲等。電流隔離確保數據傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。

　　傳統隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響，功耗極高，而且數據速率低于1 Mbps。雖然存在更高效率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。

　　數字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關的不利影響。數字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節省成本和功耗，同時大大提高數據速率。數字隔離器由上述要素界定。絕緣材料決定其固有的隔離能力，所選材料必須符合安全標準。結構和數據傳輸方法的選擇應以克服上述不利影響為目的。所有三個要素必須互相配合以平衡設計目標，但有一個目標必須不折不扣地實現，那就是符合安全法規。

　　絕緣材料

　　數字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標準材料會使生產復雜化，導致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

　　安全標準通常規定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms至400 V rms)。某些標準也會規定更短的持續時間、更高的電壓(如10 kV峰值并持續50 μs)作為增強絕緣認證的一部分要求。基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提高最佳的隔離特性，如表1所示。

　　基于聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時壽命更長。基于SiO2的隔離器對浪涌的防護能力相對較弱，不能用于醫療和其他應用。

　　各種薄膜的固有應力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應力低于SiO2薄膜，可以根據需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限;超過15 μm時，應力可能會導致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層。基于聚酰亞胺的數字隔離器可以使用厚達26 μm的隔離層。

　　隔離器結構

　　數字隔離器使用變壓器或電容將數據以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED光。

　　如圖1所示，變壓器電流脈沖通過一個線圈，形成一個很小的局部磁場，從而在另一個線圈生成感應電流。電流脈沖很短(1 ns)，因此平均電流很低。

　　變壓采用差分連接，提供高達100 kV/μs的出色共模瞬變抗擾度(光耦合器通常約為15 kV/μs)。磁性耦合對變壓器線圈間距離的依賴性也弱于容性耦合對板間距離的依賴性，因此，變壓變壓器線圈之間的絕緣層可以更厚，從而獲得更高的隔離能力。結合聚酰亞胺薄膜的低應力特性，使用聚酰亞胺的變壓器比使用SiO2的電容更容易實現高級隔離性能。

　　電容為單端連接，更容易受共模瞬變影響。雖然可以用差分電容對來彌補，但這會增大尺寸并提高成本。

　　電容的優勢之一是它使用低電流來產生耦合電場。當數據速率較高時(25 Mbps以上)，這一優勢就相當明顯。

　　數據傳輸方法

　　光耦合器使用LED發出的光將數據傳輸到隔離柵的另一端：LED點亮時表示邏輯高電平，熄滅時表示邏輯低電平。當LED點亮時，光耦合器需要消耗電能;對于關注功耗的應用，光耦合器不是一個好的選擇。多數光耦合器將輸入端和/或輸出端的信號調理留給設計人員實現，而這并不一定是非常簡單的工作。

　　數字隔離器使用更先進的電路來編碼和解碼數據，支持更快的數據傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復雜的雙向接口。

　　一種方法是將上升沿和下降沿編碼為雙脈沖或單脈沖，以驅動變壓器(圖2)。這些脈沖在副邊解碼為上升沿或下降沿。這種方法的功耗比光耦合器低10倍到100倍，因為不像光耦合器，電源無需連續提供給器件。器件中可以包括刷新電路，以便定期更新直流電平。

　　另一種方法是使用RF調制信號，其使用方式與光耦合器使用光的方式非常相似，邏輯高電平信號將引起連續RF傳輸。這種方法的功耗高于脈沖方法，因為邏輯高電平信號需要持續消耗電能。

　　也可以采用差分技術來提供共模抑制，不過，這些技術最好配合變壓器等差分元件使用。

　　選擇正確的組合

　　數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優勢。在數字隔離器領域，不同的絕緣材料、結構和數據傳輸方法組合造就不同的產品，而不同的產品適合不同的具體應用。如上所述，基于聚合物的材料提供最魯棒的隔離能力，這種材料幾乎適合所有應用，但醫療保健和重工業設備等要求最嚴格的應用受益最大。為了實現最魯棒的隔離，聚酰亞胺厚度可以超過對電容而言的合理厚度;因此，基于電容的隔離最適合不需要安全隔離的功能隔離應用。在這種情況下，基于變壓器的隔離可能是最合理的，特別是結合差分數據傳輸方法，以便充分利用變壓器的差分特性。

　　ADI隔離器件的核心優勢-iCoupler隔離器深解

　　ADI的iCoupler隔離器是基于芯片級變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調制方式實現的數字隔離器件。與傳統光電耦合器中使用LED和光電二極管不同，這種技術支持更高的數據速率和更低的功耗，性能更加穩定。由于采用晶圓級工藝制造，iCoupler能以較低成本相互集成，或是與其它半導體產品集成在一起，ADI帶隔離電源的全集成式隔離產品就是個很好的例證。

　　iCoupler技術的優勢在于消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題，無需外部驅動器或分立器件的同時還可將功耗降低90%。并且在同樣的信號數據速率下，iCoupler產品的功耗是光耦的十分之一到六分之一(例如，在3V電源、0-2Mbps條件下，每通道的最大電流為0.8mA)。

　　總體來說，在數字隔離器領域，不同的絕緣材料、結構和數據傳輸方法組合造就了不同的產品，而不同的產品適合不同的具體應用。新興應用的隔離需求包括：更高的隔離電壓(更厚的聚酰亞胺)、更結實的隔離(新型數據架構)、高效的信號和電源隔離(以磁性物質為代表的新型材料)和高帶寬隔離(先進的工藝)。

　　目前還有哪些新興應用對隔離器件有著較高的市場需求?

　　除了傳統的電源、儀器儀表、電機控制等領域、固態LED照明、新能源設備和智能電網都是ADI非常看好的領域。在無變壓器太陽能光伏逆變器中，大面板寄生電容，特別是薄膜面板，容易導致接地泄漏、損耗和EMI問題。如果直接注入電網，將嚴重影響配電變壓器、儀表數量飽和及損耗。從安全角度考慮，控制器及逆變器都需要具備更高轉換效率和EMI要求、更長使用壽命和更寬溫度范圍的隔離技術。

　　智能電網帶來的不僅僅是變電站的技術升級，所有的電力設備都需要具有更強的接口、控制、保護、測量、通信和數據處理能力，這會對相關的產品設計，特別是芯片產品提出嚴格挑戰。因為一次設備大部分在室外，對溫度范圍、抗干擾以及特殊環境要求增加，光隔離同樣面臨高溫、高熱以及長壽命方面的挑戰。

　　ADI推出業界首款全隔離式模數轉換器(ADC) ADE7913

　　Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)，全球領先的高性能信號處理解決方案供應商，最近推出業界第一款全隔離式模數轉換器(ADC) ADE7913，專為三相電能計量應用而設計。ADE7913 是一款3通道、Σ-Δ型ADC，集成 ADI 公司的 iCoupler?和isoPower? 專利技術，通過個額定5kV的隔離柵實現隔離式信號傳輸和DC-DC電源轉換。它可使用分流電阻傳感元件，而非電流互感器(CT)，因此不受磁場干擾和竊電篡改的影響。使用分流電阻而非CT還可降低系統成本和尺寸。

　　ADI 推出業界首款全隔離式模數轉換器 ADE7913

　　ADI 公司能源部門總監 Ronn Kliger 表示：“過去，三相電表生產商不得不在易受外界磁場干擾的基于CT的架構和基于分流阻、過于復雜且功能受限的分立元件架構之間做出選擇。現在，有了集成同步ADC和電流隔離的元件，我們的客戶可以開發出功能豐富、經濟有效的計量解決方案，且完全不受電磁干擾。”

　　ADE7913電能計量IC主要特性：

　　3個24位隔離式ADC：1個電流通道、2個電壓通道 集成isoPower?隔離式DC-DC轉換器 支持最多4個ADE7913電能計量IC同時由單晶振或外部時鐘計時 片內溫度傳感器 集成基準電壓源和穩壓器 SPI串行接口

　　ADI 最近還發布了一款隔離式計量芯片組，專為三相電能計量應用設計，可提供一流的三相計量和電能質量監控。

　　對電能計量客戶至關重要

　　ADI 公司提供的電能計量解決方案遠超過其它任何半導體公司，采用 ADI 技術的電能表遍及全球，已將近5億塊。ADI 公司的電能計量IC以高品質、高可靠性及高性能而領譽全球，其將ADC(模數轉換器)和固定功能的DSP (數字信號處理器)完美結合，在實現精密計量的同時，還具有獨特的功能特點且易于使用。