工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中機(jī)器和設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)定的愈加嚴(yán)格迫使我們必須要在幾乎所有類型的電子系統(tǒng)或電路中實(shí)施電隔離,。

盡管數(shù)字隔離器已經(jīng)代替了模擬隔離器,，從而簡化了隔離接口的設(shè)計(jì),，但廣大設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是日益增長的高系統(tǒng)性能需求,。這里所說的高性能不僅僅指高數(shù)據(jù)速率和/或低功耗,，而且還指高可靠性,。一方面，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中通過穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸來滿足這一需求,。另一方面,，特別是對隔離器而言，通過長使用壽命來解決這個(gè)問題,。

最近在芯片設(shè)計(jì)和制造方面的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)成就了第二代數(shù)字電容隔離器,，其高性能給低功耗和高可靠性定義了新的標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹其功能原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu),，并討論其電流消耗和預(yù)計(jì)壽命,。

功能原理

圖 1 顯示了一款數(shù)字電容隔離器 （DCI） 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。該隔離器輸入分為兩個(gè)差分信號路徑：一條為高數(shù)據(jù)速率通道（稱作 AC-通道）,，另一條為低數(shù)據(jù)速率通道（稱作 DC-通道）,。AC-通道傳輸介于 100 kbps 和 100 Mbps 之間的信號，而DC-通道則涵蓋了從 100 kbps 到 DC 的范圍,。
　　


　　圖 1 數(shù)字電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

高速信號由 AC 通道來處理,，信號在通道中首先從單端模式轉(zhuǎn)換為差分模式，然后被隔離層的電容-電阻網(wǎng)絡(luò)差分為許多瞬態(tài),。后面的比較器再將這些瞬態(tài)轉(zhuǎn)換為差分脈沖,，從而設(shè)置和重置一個(gè)“或非”門觸發(fā)器。相當(dāng)于原始輸入信號的觸發(fā)器輸出饋至判定邏輯（DCL） 和輸出多路復(fù)用器,。DCL 包括一個(gè)看門狗定時(shí)器,，該定時(shí)器用于測量信號轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間,。如果兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時(shí)間超出定時(shí)窗口（如低頻信號的情況下），則 DCL 則指示輸出多路復(fù)用器從 AC-通道切換到 DC-通道,。

由于低頻信號要求大容量電容器,，而這種電容器使片上集成變得很困難，因此DC-通道的輸入要有脈寬調(diào)制器（PWM）,。該調(diào)制器利用一個(gè)內(nèi)部振蕩器 （OSC） 的高頻載波對低頻輸入信號進(jìn)行調(diào)制,。在 AC-通道中對調(diào)制后信號的處理過程與高頻信號相同。然而,，在向輸出多路復(fù)用器提交該信號以前,，需通過一個(gè)最終低通濾波器 （LPF） 濾除高頻 PWM 載波，以恢復(fù)原始、低頻輸入信號,。

相比其他隔離器技術(shù)，電容隔離器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其 DC-通道在上電和信號丟失 （LOS） 事件期間隔離器輸出端擁有正確的輸入極性,。缺少這些特性的其他隔離器技術(shù)通常會在上電期間出現(xiàn)輸出突波,，或者在信號丟失以前一直保持在最后一個(gè)輸入極性。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 2 顯示了一個(gè)單通道,、電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)圖,。從內(nèi)部來看,，隔離器由兩顆芯片組成：一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收機(jī)芯片,。實(shí)際隔離層由接收機(jī)芯片上的高壓電容器來提供,。

由于 AC-通道和 DC-通道均使用一種差分信號技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸期間提供高噪聲抗擾度,，因此必需要有 4 個(gè)隔離電容器來形成一條單隔離數(shù)據(jù)通道。



　　圖 2 單通道電容隔離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 2 的右側(cè)顯示了一個(gè)高壓電容器的橫截面,。從發(fā)送器芯片出來的接合線連接到接收機(jī)端電容器鋁頂板,。底板（也為鋁質(zhì)）連接到接收機(jī)邏輯。板之間是夾層電介質(zhì),，其為 16-μm 厚的二氧化硅 （SiO2）層,。

使用 SiO2 作為夾層電介質(zhì)有兩個(gè)好處：一、它是具有最小老化效應(yīng)且最穩(wěn)定的隔離材料之一,，因此電容隔離器的預(yù)計(jì)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他技術(shù),；二、使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)就可以處理 SiO2,，從而大大降低了生產(chǎn)成本,。

電容隔離的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電容 123 毫微微法拉 （123 x 10 -15 F） 的超低容量，從而允許極高的數(shù)據(jù)速率傳輸并實(shí)現(xiàn)多通道隔離器的微電容幾何尺寸,。

電流消耗

隔離器電流消耗高度依賴于內(nèi)部結(jié)構(gòu),。相比雙通道隔離器，電感型隔離器似乎具有最低的 DC 電源電流（請參見圖 3）,。這是因?yàn)樵撈骷话?2 條信號通道,。但是，電容隔離器包含 4 條通道：2 條 AC 通道和 2 條 DC 通道,。因此,，其 DC 的電流消耗更高，而且其可靠性也更高,，因?yàn)樵谳斎胄盘杹G失的情況下其可確保正確的輸出極性。

系統(tǒng)空閑時(shí)就會出現(xiàn) DC 電流,。幸運(yùn)的是,，工業(yè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、PLC 和數(shù)字模擬 I/O 模塊并非針對系統(tǒng)空閑而設(shè)計(jì),，其目的是將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)娇刂茊卧?，并從控制單元傳輸?shù)絺鲃悠鳌＿@些工作的完成必須是快速,、可靠和持續(xù)的,。

一般而言,，雙通道隔離器用于隔離式 CAN 和 RS-485 總線節(jié)點(diǎn)，其中只有 2 條數(shù)據(jù)線路（發(fā)送和接收）要求隔離,。例如,，RS-485 收發(fā)器必須能夠在一些極端共模狀態(tài)下提供高達(dá) ± 70mA 的驅(qū)動力才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。這樣,，即使在低數(shù)據(jù)速率條件下,，DC 電流之間的差異也可以忽略不計(jì)。
 


　　圖 3 電容和電感隔離器的電流消耗（左圖為雙通 道隔離器,，右圖為四通道隔離器）
 
相比四通道隔離器,，圖示結(jié)果有所改善。通道數(shù)為原來的兩倍,，因此電感隔離器的電流消耗也增加了一倍,，然而相比雙通道隔離器，四通道電容隔離器的通道數(shù)僅增加了一條,。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是,，僅使用了一條 DC-通道，其在四條 AC-通道之間得到多路傳輸（請參見圖 4）,。DC 通道仍然擁有高可靠性的同時(shí),，總電流消耗維持在最低水平，從而比雙通道版本僅有最低限度的增加,。



　　圖 4 雙通道及四通道電容隔離器的通道結(jié)構(gòu)
 
四通道隔離器用于隔離包括數(shù)據(jù)和控制線路的接口（例如：SPI）,，其數(shù)據(jù)速率一般可達(dá) 20 到 80 Mbps。電感和電容隔離器之間的電流消耗在 30 Mbps 下時(shí)已經(jīng)有 10mA 以上的差別,，在如 100 Mbps 等更高數(shù)據(jù)速率下時(shí)這一差別可高達(dá) 40mA,。

因此，它其實(shí)并非重要的 DC 電流,，而是數(shù)據(jù)速率的電流增加,，即斜率 Δi/Δf。

預(yù)計(jì)使用壽命

隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命由經(jīng)時(shí)擊穿 （TDDB） 決定,，其為一種二氧化硅等電介質(zhì)材料的重要故障模式,。由于制造帶來的雜質(zhì)和不完整性缺陷，電介質(zhì)會隨時(shí)間而退化,。這種退化會由于電介質(zhì)上施加的電場及其溫度的上升而加快,。

預(yù)計(jì)使用壽命的確定是基于 TDDB E 模型，其為一種廣受認(rèn)可的電介質(zhì)擊穿模型,。

實(shí)際上,，周圍溫度維持在 150oC 時(shí)，TDDB 由隔離器的施加應(yīng)力電壓決定（請參見圖 5）,。測試之初便激活一個(gè)計(jì)時(shí)器,，其在隔離器電流超出 1 mA 時(shí)停止,，表明電介質(zhì)擊穿。記錄每個(gè)測試電壓的故障時(shí)間,，并根據(jù)理論 E 模型曲線進(jìn)行繪圖,。



圖 5 TDDB 測試方法

圖 6 所示的 TDDB 曲線表明，電容隔離器的測試數(shù)據(jù)（時(shí)間為 5 年）完全匹配 E模型預(yù)測,，從而得出在 400 Vrms （560 Vpk） 工作電壓下 28 年的預(yù)計(jì)使用壽命,，而相同電壓下電感隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命則小于 10 年。TDDB 曲線還表明,，在 700 V 和 2.5 kV 之間電容隔離器的壽命比電感隔離器長約 10 倍,。



圖 6 電容和電感隔離器的預(yù)計(jì)使用壽命

若要達(dá)到 10 到 30 年的工業(yè)預(yù)計(jì)使用壽命，使用 SiO2 電介質(zhì)的電容隔離器是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)唯一可行的解決方案,。

結(jié)論

因其高可靠性,、低電流消耗、高帶寬和長使用壽命,，數(shù)字電容隔離器具有優(yōu)異的性能,。TI 提供各種各樣的數(shù)字電容隔離器，包括隔離總線收發(fā)器和新一代 ISO74xx 電容隔離器,。