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隔离发展趋势下的国际标杆数字隔离器

2021-10-19 09:46:00

数字隔离器是一种在电气隔离器状态下实现数字信号传递的器件，充当提供电流隔离数字信号路径的基本功能。电子系统中，数字信号和模拟信号进行传递时，数字隔离器使其且具有很高的电阻隔离特性，以实现电子系统与用户之间的隔离。之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，不可避免的，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。目前数字隔离器主要有光耦型隔离器、磁耦型隔离器、容耦型隔离器三种类型。此前最常见的光耦数字隔离器虽然能满足常见隔离要求，但寿命短功耗大，目前被逐步取代。容耦采用片上电容原理实现信号的隔离传输，寿命长、功耗低、传输速率高。磁耦型在容耦的基础上能额外传递能量，可以极大拓展隔离器的应用领域。

TI数字隔离器

TI的基础型数字隔离器与增强型数字隔离器在高工作电压、低辐射、低功耗以及高效率上很有优势。隔离材料上TI系列一般使用专有二氧化硅 (SiO2) 绝缘栅来实现这些性能。除了基本的性能要求，TI的数字隔离器在小尺寸或者成本敏感应用上也都能满足。

（ISO67xx系列，TI）ISO67xx系列是容耦型数字隔离器，在提供出色的信号隔离性能同时主打低设计成本应用。该系列的数字隔离器可提供多种通道选项，有助于在各种应用配置（SPI、UART、CAN、RS-485、GPIO 和 I2C 信号）中提高对关键电路的保护能力。从该系列下的ISO6741具体产品来看，ISO6741作为四通道数字隔离器，通过低功耗运行和电平转换提高了设计灵活性，并支持 1.71V 至 5.5V 的宽电源电压范围。8kV（接触）ESD 性能可防止维护期间对隔离器造成损坏。在数据速率上高达50 Mbps，同时高达 1500V 的工作电压和 75kV/µs 的典型共模瞬态抗扰度。从上述指标水平来看，可以说ISO6741提供了牢不可破的隔离屏障。如果说ISO67xx系列为低成本应用提供了绝佳的选择的话，那ISO70xx 系列则提供了业内顶尖的超低功耗。ISO67xx全系列产品能以超低功率运行，每通道电流消耗低至 4.2μA，总电流在 10kbps 时消耗小于 20μA，并且功率可扩展至 2Mbps。在低功耗的同时，ISO67xx支持 3kVrms 的隔离电压、典型值为 100kV/μs 的共模瞬态抗扰度，这样的隔离强度足够可靠。

（ISO6741，TI）

ADI数字隔离器

ADI的数字隔离器是磁耦型数字隔离器，利用iCoupler技术来实现无限制的设计。整体来看ADI的数字隔离器在鲁棒性以及多通道灵活性（多达6通道）上拥有很大优势。

（ADuM141ES，ADI）ADuM141ES，应用于航空航天的150 MBPS 四通道数字隔离器，采用了ADI专利iCoupler®技术。这些隔离元件集高速、互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和整体式空芯变压器技术于一身，能够提供更出色的性能特点。从具体数值来看，ADuM141ES在 5 V 运行时，最大传播延迟为 13.5 ns，脉宽失真低于 3 ns，共模瞬变抗扰度很高，能做到大于100 kV/μs。同时ADuM141ES 数据通道是相互独立的，并可以承受 400 V rms 的额定电压。此器件在 1.8 V - 5 V 之间的电源电压下工作并兼容更低的电压系统，支持跨隔离势垒的电压转换功能。低功耗也在电流值上反应了出来，150 MBPS 时1侧电源电流为17 mA，2侧电源电流为17.5 mA，保证数据传输速率同时降低了功耗。

（ADuM260N，ADI）四通道的ADuM141ES性能已经足够强大，再来看看集成故障安全和0个反向通道的鲁棒5.0 kVrms六通道数字隔离器。共模瞬变抗扰度100 kV/μs，5V时13 ns传播延迟，1.8V时15 ns的低延迟，最大150 Mbps的数据速率，VIORM峰值849 V的安全认证，1分钟5000 V rms的UL认证，125℃的高温工作环境，16引脚宽体SOIC_IC封装。高工作电压、低辐射、低功耗、高效率在上述数据中体现得淋漓尽致。

东芝数字隔离器

东芝的数字隔离器主要还是应用光耦，所以在性能上会弱于上面提到的TI，ADI提供的高性能数字隔离器。东芝TLP350是较新的一款数字隔离器产品，用于各种逆变器（如工业逆变器、UPS和光伏发电用功率调节器）的功率元件栅极驱动IC。该器件主要实在可靠性上进行了提升，并且成本较低。

（TLP350，东芝）TLP350可以通过抑制异常关断期间发生的浪涌电压上升，防止功率器件击穿。当供电电压异常和检测到过流时，会反馈故障信号。同时过流检测的软关断功能使功率器件关断更柔和。这些提升都着重于可靠性和稳定性。因为单纯从技术参数着手，光耦相比其他类型有着天然劣势。这款产品的额定电流为2.5A，这无疑是较大的功耗负担。共模瞬变抑制为25 kV/µs，在光耦型产品中其实已经做的相当不错了。

Broadcom 数字隔离器

Broadcom 一直是一家光电隔离器的领先供应商。目前提供高度可靠性军用密封式光电耦合器、用于工业应用的电流隔离光电耦合器，以及专为满足汽车级应用的绝缘和可靠性要求设计的光电耦合器。虽然是光耦专家，但旗下ACML-74xx 系列 CMPS 数字隔离器通过厚绝缘采用了磁力耦合，具有高速度和高绝缘性能，而且在高数据速率下低功耗。HCPL-90xx/-09xx 系列 CMOS 数字隔离器则集成了巨磁电阻 (GMR) 技术，具有高速的性能和优异的瞬态抗干扰度规范。

（ACML-7400，Broadcom）ACML-74x0系列 CMOS 数字隔离器耗费少量电量，甚至在高数据率时也是如此，还能通过紧凑表面贴装实现瞬态抑制性能。这些 CMOS 数字隔离器符合 36ns 的最大传播延迟和 3ns 的最大脉宽失真。它们也可以以 100 MBd 数据率运行。在上图中的四通道 ACML-7400 CMOS 数字隔离器中，配置单向装置，一个方向有四个通道，通常每个通道都在15mA的低功耗范围内。而工作电压承受能力极高，最大可承受800V rms 。共模瞬态抑制能力也比较优秀，最小为25 kV/µs，一般在50kV/µs。