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數(shù)字隔離器:系統(tǒng)和人身安全的隱形守護(hù)者

發(fā)布時(shí)間:2023-10-08 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隔離本身并不具備特別的計(jì)算、處理或轉(zhuǎn)換能力,但是其發(fā)展卻與工業(yè)、汽車、醫(yī)療、家用電子等發(fā)展息息相關(guān)。它的高可靠性和高性能是系統(tǒng)安全的保護(hù)神,所以千萬不要在你的電路設(shè)計(jì)中忽略了隔離。


要說電路設(shè)計(jì)有什么需要投入100%關(guān)注度,那一定要包含隔離器。

隔離本身并不具備特別的計(jì)算、處理或轉(zhuǎn)換能力,但是其發(fā)展卻與工業(yè)、汽車、醫(yī)療、家用電子等發(fā)展息息相關(guān)。它的高可靠性和高性能是系統(tǒng)安全的保護(hù)神,所以千萬不要在你的電路設(shè)計(jì)中忽略了隔離。

隔離,隱形的守護(hù)者

可不要覺得隔離是老生常談的問題,它關(guān)乎著電路的安全,也關(guān)乎著人身安全。

簡單來說,電子設(shè)備中,執(zhí)行系統(tǒng)與控制系統(tǒng)間電壓不同,一個(gè)是數(shù)百伏交流,一個(gè)是低壓直流,就和生活中,我們會(huì)把低壓和高壓隔離開來一個(gè)道理,高壓系統(tǒng)往往會(huì)更容易出現(xiàn)靜電放電、射頻、開關(guān)脈沖和電源擾動(dòng),引起電壓浪涌,這比許多電子元件的電壓極限高出一千倍。最重要的是,這些高壓除了給電子電路帶來噪音和危害之外,更可能對(duì)人體造成危害。

舉一個(gè)簡單的例子,電動(dòng)汽車內(nèi)電池電壓可達(dá)400V,甚至是800V,但駕駛員依然可以從容且安全地操作各類設(shè)備、儀表和旋鈕,這離不開各種形式的隔離,它們構(gòu)建了高低壓之間安全可靠的聯(lián)系。

既然影響深遠(yuǎn),用什么隔離就顯得尤為重要。

自從電力為人所用開始,人們就渴望安全可靠的電力控制手段。19世紀(jì)30年代,美國物理學(xué)家約瑟夫·亨利在研究電路控制時(shí),利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)明了電磁繼電器。利用電磁鐵在通電和斷電下磁力產(chǎn)生和消失的現(xiàn)象,來控制高電壓高電流的另一電路開合,它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了電路遠(yuǎn)程控制和保護(hù)。


數(shù)字隔離器:系統(tǒng)和人身安全的隱形守護(hù)者


利用一節(jié)干電池控制電磁鐵,就可以驅(qū)動(dòng)220V交流電,實(shí)現(xiàn)安全的控制(或信息傳輸),有種四兩撥千斤的感覺。這種簡單的步驟就是隔離的本質(zhì),即兩個(gè)不相干的彼此絕緣的電路間,通過某種方式實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。

不過,電磁繼電器的劣勢(shì)顯而易見,體積大、功耗高、易損壞。

為了克服以上缺點(diǎn),光耦便應(yīng)運(yùn)而生,它利用光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了傳輸與控制,在芯片級(jí)尺寸上實(shí)現(xiàn)相類似功能?;诠饷綦娮璧墓飧綦x器于 1968 年推出,相比于變壓器,光耦體積小、重量輕、價(jià)格便宜并且可靠性高,迅速成為了市場(chǎng)主流。光耦發(fā)展的時(shí)代,也是集成電路和信息化發(fā)展的時(shí)代,低壓控制計(jì)算單元與大功率的電機(jī)、電源之間的交互越來越多,光耦也得以大發(fā)展。

當(dāng)然,微電子領(lǐng)域性能、功耗、體積是永遠(yuǎn)的話題,任何強(qiáng)大的技術(shù)也無法脫逃它的束縛。光耦如今也遇到了電磁繼電器同樣的問題,受限于激光器和光敏二極管,其尺寸、功耗、可靠性等都都失去了優(yōu)勢(shì)。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字隔離器成了冉冉升起的新星。

數(shù)字隔離器的愛恨情愁

數(shù)字隔離器并不難理解,它和光耦類似,只不過是將光電轉(zhuǎn)換調(diào)制變成了其它技術(shù)。不過,相比而言,數(shù)字隔離器不會(huì)出現(xiàn)光學(xué)衰減等現(xiàn)象,與光耦不同,憑借半導(dǎo)體技術(shù),數(shù)字隔離器擁有諸多優(yōu)勢(shì),包括開關(guān)特性好、不易老化、高可靠性、高耐壓、高速率、可傳輸能量等。

數(shù)字隔離器根據(jù)基本原理又可劃分為電容隔離器和磁隔離器。

電容隔離顧名思義,是利用芯片內(nèi)部的微型電容進(jìn)行芯片左右兩側(cè)的高壓隔離,中間使用高電介質(zhì)材料進(jìn)行電壓阻隔。電容器是一種能夠存儲(chǔ)電荷的元件,它由兩個(gè)導(dǎo)體板和介質(zhì)組成,其特性是通高頻、阻低頻,中間介質(zhì)可以隔離低頻或者直流高壓信號(hào)。

利用電容器通高阻低的特性,可以進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制傳輸。當(dāng)輸入一個(gè)高低高低的數(shù)字信號(hào)以后,芯片內(nèi)部會(huì)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制,高頻調(diào)制低頻信號(hào),使其可以傳輸?shù)叫酒硗庖粋?cè)。典型的OOK(On Off Key)調(diào)制就是把“0、1”兩個(gè)信號(hào),用不同頻率調(diào)制,比如高頻信號(hào)代表1,沒有調(diào)制的直流信號(hào)代表0,然后傳輸兩個(gè)狀態(tài)切換的信號(hào)。


數(shù)字隔離器:系統(tǒng)和人身安全的隱形守護(hù)者
電容隔離器產(chǎn)品框圖及OOK示意圖


磁隔離器方面,與電容類似,只不過采用線圈的方式,利用電磁變換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

總而言之,數(shù)字隔離器進(jìn)一步解決了光耦在可靠性、傳輸速率、魯棒性、尺寸、壽命等不足之處。

科技領(lǐng)域從來不存在完美,數(shù)字隔離器的優(yōu)勢(shì)很明顯,但總會(huì)有一些權(quán)衡取舍。

首先,由于數(shù)字隔離器相對(duì)較新,因此其可靠性在不斷完善和論證中。伴隨相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)相繼建立,現(xiàn)已形成一整套完善的認(rèn)證流程和標(biāo)準(zhǔn),也逐步獲得了各類客戶的認(rèn)可。

其次,目前光耦依然在業(yè)界占有主導(dǎo)地位,尤其是在一些傳統(tǒng)應(yīng)用中。因此,從光耦向數(shù)字隔離器的切換并不能一蹴而就,由于數(shù)字隔離器引腳和輸入類型不完全兼容,這時(shí)就需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改版,有時(shí)客戶因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)考慮,替換意愿不足。也正因此,業(yè)界提供了一種原位替代的方案,可以直接替代光耦,引腳兼容,在輸入特性上內(nèi)建電路模擬二極管特性,與光耦器件完全相同,應(yīng)用設(shè)置也相同,可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)行設(shè)計(jì)替代。

最后,電容隔離器可能會(huì)存在共模干擾問題,需要想辦法抑制。

通常的OOK技術(shù)比較直接,進(jìn)來的信號(hào)是什么,就直接進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制,然后在另外一邊進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)。高頻調(diào)制后,信號(hào)和高頻共模電路都通過一個(gè)路徑進(jìn)行傳輸,因此會(huì)有共模干擾存在,這也是普通電容隔離器的不足之處。

正是因?yàn)榇嬖谏鲜龅膯栴},所以在挑選器件時(shí)才更要格外上心。有幾種可以明顯提升抗共模干擾能力的方法,以國內(nèi)隔離器廠商納芯微為例,其在OOK基礎(chǔ)上開發(fā)出了Adaptive OOK?調(diào)制專利,提升了數(shù)字隔離器的抗共模干擾能力。

所謂Adaptive其實(shí)就是自適應(yīng),通過芯片內(nèi)部共模檢測(cè)電路檢測(cè)共模信號(hào)狀態(tài),再根據(jù)檢測(cè)信號(hào),動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)地調(diào)節(jié)內(nèi)部關(guān)鍵電路特性或增益,在共模噪聲較大時(shí),可以更好地抑制噪聲,從而擁有更好的魯棒性,提升隔離器的抗共模干擾能力。

自適應(yīng)的另一個(gè)好處是不需要在全工作狀態(tài)下保證較高的抗共模干擾能力,只有當(dāng)瞬間干擾比較大時(shí),電路才需要執(zhí)行更多功能以抑制干擾,而在大部分沒有惡劣工況、抗共模干擾需求較低情況下,Adaptive OOK?技術(shù)則可以平衡系統(tǒng)性能及功耗,從而優(yōu)化整體表現(xiàn)。

讓隔離更進(jìn)一步

從數(shù)字隔離器細(xì)分市場(chǎng)來看,磁隔離器只有少數(shù)公司提供,電容隔離器則是更多企業(yè)的選擇,且出貨量增長非常迅速。這里面不乏專利的原因,另外則是由于電容隔離在整個(gè)生產(chǎn)制造上相對(duì)簡單,和一般的非隔離器件的晶圓生產(chǎn)差別不大,從而使得電容隔離在成本上有較大的優(yōu)勢(shì)。

其次是電容隔離工藝能力的改善,性能也在不斷的提升,特別是耐壓能力、抗浪涌耐壓能力等已經(jīng)基本與磁隔離一致,使電容隔離同樣能夠滿足豐富場(chǎng)景。

就拿納芯微產(chǎn)品來看,便可印證上述趨勢(shì)。比如納芯微第一代的NSI81xx系列是滿足基本隔離要求的產(chǎn)品,第二代的NSI82xx系列則滿足了增強(qiáng)型隔離的要求,另外在抗共模干擾能力,EMC性能等電氣性能方面也得到了強(qiáng)化。據(jù)納芯微透露,其第三代產(chǎn)品還將繼續(xù)提升耐壓性能及魯棒性。


數(shù)字隔離器:系統(tǒng)和人身安全的隱形守護(hù)者
圖:不同的隔離等級(jí)介紹


電容隔離器其實(shí)是“螺螄殼里做道場(chǎng)”,雖然原理簡單,但一些工藝和微架構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新都對(duì)整體性能有著非常大的影響。比如從OOK到Adaptive OOK?,這種讓數(shù)字隔離器“更進(jìn)一步”的努力,納芯微還做了很多。

首先,在性能上,工藝能力及微架構(gòu)優(yōu)化可促進(jìn)耐壓能力不斷提高。比如同樣是用SiO2高電介質(zhì)填充,還需要摻雜不同元素來進(jìn)一步提升耐壓能力。另外電容的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)隔離的耐壓能力也是有較大的影響,因此每一家廠商的電容的結(jié)構(gòu)、形狀等微架構(gòu)設(shè)計(jì),都會(huì)影響性能。

其次,在魯棒性上,對(duì)于隔離產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合來說,更多的是工業(yè)和汽車等高壓應(yīng)用場(chǎng)景,隔離產(chǎn)品是屬于安規(guī)產(chǎn)品,涉及安全相關(guān),在這些場(chǎng)景下,一定要選擇經(jīng)過安規(guī)認(rèn)證的產(chǎn)品。

無論是模擬、接口、信號(hào)鏈等產(chǎn)品,廠商都需要推出不同的產(chǎn)品系列,以滿足更多的應(yīng)用場(chǎng)景,隔離類產(chǎn)品也不例外。通過基礎(chǔ)的隔離功能,再結(jié)合其他接口、驅(qū)動(dòng)或者采樣等相關(guān)知識(shí),便可讓隔離技術(shù)有著更廣泛的應(yīng)用。

從應(yīng)用場(chǎng)景反推出產(chǎn)品定義是產(chǎn)品開發(fā)的主要思路,同時(shí)也是最主要的挑戰(zhàn),這些圍繞應(yīng)用進(jìn)行的“隔離+”產(chǎn)品的定義和單純的數(shù)字隔離器并不完全相同。

比如隔離驅(qū)動(dòng),除了要處理數(shù)字信號(hào),還要求廠商在具體應(yīng)用場(chǎng)景中熟悉驅(qū)動(dòng)相關(guān)的功率知識(shí)、與不同廠商功率管適配。更進(jìn)一步的是,碳化硅等第三代寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用對(duì)隔離驅(qū)動(dòng)的安全和數(shù)據(jù)傳輸有更多要求。

而在隔離接口產(chǎn)品中,則需考慮ESD、抗干擾能力等,隔離采樣則還額外需要高精度信號(hào)鏈領(lǐng)域的積累。

此外,隔離器有時(shí)需要與電源共同使用,因此也誕生了集成隔離電源的隔離器。

我們看到納芯微等國內(nèi)外公司都在不約而同地布局更多隔離產(chǎn)品大類,從單一品類轉(zhuǎn)向“隔離+”拓展策略,為更多產(chǎn)品提供隔離能力。

除了產(chǎn)品種類豐富之外,伴隨著新應(yīng)用、新市場(chǎng)越來越多,也讓數(shù)字隔離器和光耦處在了同一起跑線上。包括電動(dòng)汽車、光伏、儲(chǔ)能中越來越多細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域正在涌現(xiàn),對(duì)于數(shù)字隔離器的需求激增,在這些新應(yīng)用的設(shè)計(jì)過程中,客戶更愿意嘗鮮數(shù)字隔離器。

寫在最后

我們見證了電磁繼電器和光耦的輝煌,而現(xiàn)在,則是屬于數(shù)字隔離器的時(shí)代。

仔細(xì)檢查你的電路板,如果其他零部件已經(jīng)使用了最新的技術(shù),但依然使用光耦隔離器,這肯定不是一個(gè)最佳選擇。

所以多了解并嘗試數(shù)字隔離器技術(shù)吧,在下一篇文章中,我們將著重介紹數(shù)字隔離器的關(guān)鍵參數(shù),這也有助于您進(jìn)一步了解數(shù)字隔離器。


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