何時使用數字隔離，何時使用光耦器?

介紹

本文講述如何設計工業應用環境的隔離電路。工業電子設備通常使用直流隔離防止潛在的高電壓危險對系統和用戶造成傷害。眾所周知，工業電子設備必須在最惡劣的環境中穩定運作，這種環境中充斥著強電磁場、浪湧、快速瞬變（fast transient）、高噪聲基底（noise floor）等不穩定因素，為了保證設備能在這種環境中長期無故障運行，設計可靠的隔離電路成為一項艱巨的任務。
　　在過去的將近四十年，信號隔離元件往往採用光耦器件，但是在基於矽的隔離技術取得突破之後，就湧現出更加小型化、更加快速、更加穩定並且在成本上具備優勢的隔離器件（即本文要講述的數字隔離器/RF隔離器）。在許多終端設備中，這種新型的隔離元件已經開始逐步取代傳統的光耦器件。下面將首先討論工業領域隔離所面臨的問題，以及採用RF隔離技術的可行性以及這種技術如何增加系統的性能和可靠性。

RF隔離器和光耦器件的工作原理

圖1顯示了光耦器件和 ISOpro 隔離器（silicon labs公司產品）的主要結構。在圖1a，光耦器件內部的 LED 在正向偏壓（forward bias）的作用下發射光線，其發射光的亮度與其正向電流的大小成正比。發射光透過一層透明的絕緣薄膜之後，到達光學傳感器（photo detector）並形成電流，從而給輸出晶體管偏壓。當 LED 上的正向電流為零時，發射光終止，進而輸出晶體管關閉。

        圖1.光耦器件與ISOpro隔離器的工作原理

　　ISOpro 隔離器的基本工作原理與光耦器件相似，只是用RF取代光線作為載體（圖1b）。ISOpro 隔離器在同一芯片封裝兩個相同的半導體裸片（semiconductor die），分別作為RF發射端和接收端，它們由電容絕緣柵（isolation barrier）分開。要進行數據傳輸的時候，就簡單的使用 on/off 鍵控（OOK）。當 VIN 為高電平的時候，發射端產生RF載波，經過絕緣柵傳輸到接收端。接收端在檢測到足夠的帶內載波的時候，在 VOUT 輸出邏輯高電平。當 VIN 為低電平的時候，發射端不工作，因此沒有載波傳輸信號，接收端也因此將 VOUT 置於低電平。
　　與光耦器件不同的是，單通道的 ISOpro 器件只佔用很小的裸片面積，很容易實現低成本和應對多通道的應用。另外，使用單一的製造工藝就能將 ISOpro 技術與其他半導體技術一起使用，從而製造出高集成度的、內置隔離器的產品，比如絕緣模擬數據轉換器和通信收發器。ISOpro 所能實現的高集成度，使其比光耦器件具備全面且廣泛的應用前景。

系統考慮

無論採用何種實現方式，隔離器件必須滿足電氣絕緣的安全標準，其使用壽命要比設備本身長很多，甚至高達數十年。開發人員除了要保證隔離電路能承受可能造成物理損傷的電應力（electrical stress）之外，還要能夠保證隔離電路能抑制各種噪聲。所以，開發人員必須小心的考慮隔離器的幾項關鍵參數，包括共模瞬態抑制能力和時序參數，例如傳輸延遲（propagation delay）和脈寬失真，以及電磁場方面的參數，比如 EMI 和 RF 磁化率。同樣的，持續工作電壓和平均無故障時間（mean time to failure，MTTF）也是隔離器件要考慮的參數。

高壓絕緣的可靠性

是否能可靠的絕緣直接影響隔離器件能否安全的將用戶與高壓進行隔離。絕緣柵是維持系統安全的關鍵所在。絕緣柵的一致性非常重要，不能存在可能引起擊穿的空隙，這點主要通過絕緣柵的材料和製造工藝來完善。
　　光耦器件的注射成型塑料（injection-molded plastic）的絕緣強度最大可以變化 300% ，這主要是由於製造時形成的空隙造成的。對比之下，ISOpro 隔離器件使用半導體氧化層作為其絕緣柵。通過有力的控制 CMOS 氧化沉澱的工藝並保證高度的產品一致性，最終的絕緣強度變化量可以控制在 20% 以內。
　　每微米的氧化層，其擊穿電壓為 500VACRMS。在構造晶圓的時候，可以簡單的通過堆疊氧化層來獲得更高的擊穿電壓，例如 5kVACRMS，這樣的結果是，在比光耦器件更小的產品尺寸上實現更高的最大擊穿電壓，除此之外，其絕緣柵的可靠性也不受封裝工藝的影響。
　　圖2將光耦器件和 ISOpro 器件的中值故障時間（median time-to-failure）進行了比較。兩種元件都使用同樣的設備在同樣的測試條件下進行測量。如圖所示，對於一個 2.5kVACRMS、六通道的 ISOpro 器件，在 25°C 和 500VDC 的條件下可以使用很多年。

圖2.ISOpro 隔離器與光耦器件的 MTTF（平均故障時間）

安全認證

　　國際安全認證標準提出了隔離器件的測試方法和指引，以確保終端設備不受電擊、機械損傷、火災和電磁場的損害。對於光耦器件和其他隔離器件的國際認證標準在表1中有總結。

　　隔離器件的分級包括“基本型”和“加強型”兩種，基本型的隔離器件要求能提供防止電擊的保護作用，並且不能出現安全故障，這種類型的隔離器件對於用戶來說比較容易理解。基本型的隔離器件要在 2.5kVACRMS 的條件下進行一分鐘的安全測試，並具有 3.2mm 的最小漏電距離。加強型的隔離器件要求能提供兩級保護，在出現安全故障的時候用戶接觸而不被擊傷。這種類型的隔離器件要求在一分鐘、5kVACRMS 的條件下進行安全測試，要求能提供 6.4mm 的最小漏電距離。需要注意的是，確切的漏電距離和額定的隔離電壓因系統而異，系統差異主要表現在系統的規格和目標環境的工作條件方面的不同，即受污染的程度。
　　認證測試的步驟包括讓隔離器件在測試標準規定的應力下工作，並且在測試過程中監視元器件出現的安全故障。表2列出的是 IEC60950 標準規定的電力強度測試。其中，測試電壓的假設前提是封裝表面均勻，比如僅僅採用塑封料（molding compound）進行封裝。但光耦器件和 ISOpro 隔離器都是用不同的材料製造絕緣柵，ISOpro 使用矽氧化物製造主要的絕緣體，使用塑封料製造次要的絕緣體。使用兩種不同材質的絕緣體結構被稱為“膠接劑（cement joint）”，它需要經過認證機構的檢驗測試才能進入市場，測試條件通常為表2中的測試電壓的1.6倍。舉例來說，如果加強型的隔離器（峰值或者直流工作電壓為354V）要通過 4800VACRMS 額定電壓的認證，它必須能承受一分鐘的 4800VACRMS 絕緣電勢。另外，製造商也應該在 120% 的額定值條件下對隔離器產品進行測試，那麼對於前面提到的 354V 的隔離器來說，製造商應該在 5760VACRMS 條件下對產品測試一秒鐘，以確保產品的可靠性。

表2：IEC60950的測試電壓

功率

簡單來說，光耦器件需要電流對 LED 進行偏壓，在輸出端也需要一定的偏壓。輸入和輸出電流的變化範圍幅度較大，其大小視光耦器件的類型決定。在正向偏壓的作用下，光耦器件的 LED 呈現低阻抗，因而 LED 在正向電流（1~15mA）的作用下器件的功耗增加。在某些情況下， LED 需要外部的驅動器，元件數量和成本的增加降低了系統的整體效率。依據結構的複雜程度，光耦器件的輸出阻抗也有大小之分。許多低成本的光耦器件的輸出部分簡單的使用一個晶體管，這樣，在 LED 的正向電流為零的時候輸出阻抗很高；而當 LED 的正向電流在規定的範圍內的時候其輸出阻抗就很低。其他類型的光耦器件（通常具有更高的速度）使用有源的光學耦合器和輸出驅動器，這些都需要外部的偏壓。這些類型的光耦器件，輸出阻抗很低，但換來的代價是總體的工作電流很大，其範圍為 15～40mA。
　　與光耦器件相比，ISOpro 隔離器件提供更高的工作效率，在 10Mbps、VDD=5.0V、負載為 15pF 的條件下，每通道消耗大約 1.7mA 的電流。其高阻抗輸出緩衝器僅僅消耗漏電流（leakage current）中的幾微安，同時，它的 50Ω 的 CMOS 輸出驅動器可以形成 4mA 的拉電流（source）或者漏電流（sink）。大量採用 ISOpro 隔離器的能源效益是源自採用 RF 代替光線作為載體，從而避免使用耗電量大的 LED。由於絕緣電容的結構，隔離路徑的耗損被降低至最小，這點有利於可靠的數據傳輸和降低功率損耗。ISOpro 隔離器的功耗保持平坦，並且要小於光耦器件，從而可以通過增加電流進一步提升數據的傳輸率，這點可以從圖3中反映出來。

圖3.ISOpro 隔離器與光耦器件在穩定工作時的電流消耗

時序特徵

　　數字型隔離器件的時序特徵尤為重要，圖4將 10Mbps 的 ISOpro 器件與數字型光耦器件就傳輸延遲特性方面進行了比較。圖中列出的傳輸延遲是在不同的 LED 電流下測量獲得，此時帶或者不帶調峰電容（peaking capacitor）。調峰電容為 20pF，與 LED 限流電阻並聯。為了讓光耦器件實現更加快速的響應速度，這個電容會在電路開啟和關閉的時候瞬間增加 LED 的電流。

圖4.ISOpro隔離器與光耦器件的傳輸延遲比較

　　在圖4，曲線 B 和曲線 C 為 0.5mA 和 1.0mA 的 LED 電流下的傳輸時間（propagation time），此時沒有使用調峰電容，如圖所示，在 20°C 的時候 LED 電流下降 0.5mA，傳輸時間上升了 50%（即由 80ns 增加到 120ns）。這表明一點，在 LED 電流改變時電路的時序也發生改變。傳輸延遲不是對稱的，曲線 A 顯示當信號由高變低的時候傳輸時間大約為 35ns；由低變高的時候傳輸時間則為其兩倍。因此，使用這些元器件的系統必須考慮這種不對稱的傳輸延遲，並且要求能提供額外的時序餘量（timing margin）。在這個示例中還需要注意的一點是，光耦器件的其他時序參數，比如脈衝寬度失真、通道之間的匹配、上升沿/下降沿等等，也有著同樣的問題，因為時序的特徵（包括 LOP 效應）都與 LED 發光有關係。
　　不像光耦器件，ISOpro 隔離器的時序參數是內部定時電路的函數，並且其信號路徑內的傳輸延遲是固定的。所有的時序參數只隨著 VDD 的改變而變化，也即不受溫度的影響。舉例來說，上升時間和下降時間在溫度和電源電壓變化的情況下只發生 1ns 的改變，最極端的條件 120°C 的環境下傳輸時間大約 9ns。表 3 顯示了 50Mbps 光耦器件與 ISOpro 隔離器的工作特性比較。

共模瞬態抑制（CMTI）

　　在需要隔離的場合，共模瞬變（common-mode transient）是導致數據傳輸錯誤的主要原因。測量共模瞬態抑制（CMTI）通常以 kV/ms 為單位，這個參數反映的是隔離器件抵抗隔離器輸入端和輸出端之間出現的噪聲的能力。圖 5a 為共模噪聲（VCM）影響下的光耦器件示意圖，VCM 隨著快速瞬變而產生變化，iLP 和 iLN 影響著 LED 電流的大小，導致 LED 反射光的瞬間改變。儘管有廠家在 LED 光線接收端加裝屏蔽罩來減少寄生電容的輸入/輸出耦合，但是不能改變 LED 發射光瞬變的情況。

圖5.（a)光耦器件的等效電路（b）ISOpro隔離器的等效電路

　　光耦器件與地之間的寄生耦合電容通常小於 1pF，例如 HCPL-0703 型號的光耦器件寄生耦合電容就為 0.6pF，這樣會降低 CMTI 的能力。在圖 6 中，通過‘準差分’驅動電路從一定程度上改善 CMTI 的能力，在 LED 的兩側使用限流電阻，其大小為圖 5 中 RLED 的一半。

圖6：ISOpro隔離器和光耦器件的共模瞬變模型

　　光耦器件的時序圖見圖6，光耦器件出現的正向瞬態接地導致 LED 電流的瞬間增加。LED 因此錯誤的閃亮，由此產生錯誤的數據，錯誤傳輸的數據的數量由這個瞬態變化的時間以及光耦器件中存在的寄生耦合電容決定。例如， 0.6pF 的寄生電容就足夠在 LED 原本應該保持關閉的情況下瞬間開啟 LED。同樣的，負極的瞬間變化也會在 LED 應該開啟的時候將 LED 關閉。光耦器件本身固有的低 CMTI 特性會在廠家出版的應用手冊中有詳細的描述。在高共模環境中，通常這些手冊會建議 LED 在開啟的時候對其進行過驅動（over drive）；而在關閉的時候對 LED 反向偏壓。儘管這種技術是可行的，但是它增加了 LED 的電力消耗，並且由於 LOP 而加速元件的老化。在任何情況下，寄生耦合電容都是不可避免的，並且它會降低光耦器件的 CMTI 特性。
　　圖6下的電路顯示 了 ISOpro 隔離器的共模電壓（VCM），其輸入輸出電容（CCM）為100微法拉（femtofarad），它要比光耦器件的輸入輸出電容小六倍。它的全差分（fully-differential）隔離路徑能夠抑制共模電壓，同時，接收器的高選擇性能夠抑制除載波頻率之外的噪聲頻率。基於這些原因，ISOpro 隔離器具有典型的 25kV/μs 的 CMTI 能力，而要達到同等的共模噪聲抑制能力，光耦器件需要許多的外部元件。

RF抑制能力

隔離器件所應具有的射頻（RF）抑制能力是為了抵抗局部的電磁場干擾，從而得到無誤的數據傳輸。從直觀的角度來看，隔離器件的工作環境中存在的 RF 干擾可能有礙於隔離器件內部的 RF 數據傳輸質量。但是，ISOpro 隔離器經過優化設計，具備高度的抵抗外部 RF 噪聲能力。
　　局部的電磁場會導致在 ISOpro 隔離器內部信號路徑形成共模電壓，這可以由 ISOpro 隔離器的差分隔離信號路徑和高選擇性的接收器抑制這種電磁場。在 ISOpro 隔離器內部的差分信號路徑的每一邊的信號強度都緊密的匹配，這樣就有效的抑制了接收器輸入端的共模電壓。然後，接收器在一個非常窄的頻帶內僅僅對差分輸入電壓進行放大，阻止其他頻率的輸入信號。綜上所述，這些機制將抑制外部的噪聲干擾，並且在惡劣的工作條件下得到非常高的 CMTI 能力。
　　就如圖 7 顯示的那樣，ISOpro 隔離器所具有的電磁場抑制能力使其能夠在非常接近於電機之類的設備中使用。理論上，當電磁場的強度足夠大，或者電磁場非常接近於隔離器件的時候，就會導致數據的錯誤傳輸。然而在實際使用中，ISOpro 隔離器能提供絕佳的電磁場抑制能力，估算結果表明，它能經受得起至少 1000A/m（依據 IEC61000-4-8 和 IEC61000-4-9 標準）的電磁場強度。這種電磁場可以用這種方法模擬：在距離 ISOpro 隔離器 0.1m 處的 0.1m 導體通以 107A 的電流。這樣的電磁場在任何工作環境中都不太可能出現，即便是存在，它也會首先破壞 ISOpro 隔離器周邊的電路，然後才會損壞 ISOpro 隔離器內部的絕緣柵。另外，實驗室測量獲得的結果是，ISOpro 隔離器的電磁場抑制能力最少是 20V/m。

圖7.ISOpro隔離器的電磁場抑制能力

應用實例

　　光耦器件通常需要外部電路來改善性能，提供偏壓或者限制電流。ISOpro 隔離器僅僅需要兩個外部的 VDD 旁路電容（0.22～1μF）。兼容 TTL 電壓的輸入端僅僅下拉幾微安的漏電流，這樣就能夠在無需外部緩衝電路的情況下驅動它們。無論是正向通道還是反向通道的電路中，輸出端都具有 50Ω 的阻抗（rail-to-rail swing）。圖 8 中的電路適用于許多應用場合，並且易於作為 CMOS 柵極來使用。

圖8.ISOpro隔離器的應用電路

　　圖9、圖10 和圖11 分別為三種光耦器件，每種都需要外部的元件。圖9 為隔離 CMOS 邏輯應用，這 CMOS 輸入緩衝提供正確的輸入邏輯水平，並且給光耦器件提供驅動電流。電阻 RL 限制 LED 的電流，調峰電容器 Cp 加速 LED 的開啟和關閉時間，以便減少大約 300ns 的傳輸延遲。輸出電路包括基於 CMOS 的 Schmitt 觸發器，它用於改善上升和下降沿的時間，提供額外的噪聲抑制作用和低輸出阻抗的作用。

圖9.CMOS驅動器

圖10.高CMTI能力的耦器件

圖11.等離子顯示器的驅動電路

　　圖10 顯示的電路以高功耗為代價並降低 LED 的使用壽命來獲得高的 CMTI 能力，但它可以與圖9 的電路混合使用來改善它的 CMTI 能力，但這樣做需要外部的元件來實現。如果要改善 CMTI 能力，就需要降低 R1 電阻的阻值，而且在 Q1 關閉的時候 LED 的驅動電流過大。在 Q1 開啟的時候 LED 關閉，它將 LED 的電流分流到地。可以看出，無論 LED 是關閉還是開啟都要從 VCC1 獲取同樣的電流，這樣就使得電路的效率降低了許多。 

在圖9、圖10、圖11 電路的基礎上，如果改用 ISOpro 隔離器首先可以大大減小產品的尺寸，具體見圖12、圖13、圖14，在降低 BOM 清單的同時，還能得到更佳的時序性能、更低的功耗和更高的可靠性。圖12和圖13顯示了 ISOpro 隔離器作為單獨的芯片取代了圖9 和圖10 的電路；圖14則在使用一個 ISOdriver 的前提下實現了圖11的電路，ISOdriver 集成了RF隔離技術，並含有一個功能齊備的高壓側和低壓側的 IGBT/MOSFET 驅動器，這個驅動器能傳輸4A的峰值電流。

圖12.六通道CMOS移相器（shifter)

圖13.六通道高 cmti 隔離器

圖14.單通道等離子顯示驅動器

總結

　　儘管光耦器件作為傳統的信號隔離器件已經有許多年，但是基於 RF 的隔離器件更加小型化、集成度更高、功耗更低，ISOpro 隔離器是這領域的佼佼者，適用于 CMOS 邏輯柵極。ISOpro 隔離器的優點包括：集成度更高，表現在單位通道的成本更低，尺寸更小；性能更優秀，響應更加快速，並且能維持低功耗；更長的使用壽命，不會出現光耦器件的老化現象；受 VDD 大小、溫度的影響小，能穩定的工作；更高的 CMTI 能力，得益於差分隔離信號路徑和接收器的高選擇性，CMTI 的能力大於 25kV/μs；更低的 EMI，符合 FCC 的 B類標準；更高的電磁場抑制能力，實驗室測試其能力為 >20V/m；工業級的 ESD 能力，在 HBM（人體模型）下能抵禦 4k V的 ESD；只需要兩個 VDD 旁路電容，除此之外不需要其他的外部元器件；單芯片封裝使其易於使用構建隔離方案。

註: 摘錄自"無線電技術月刊" 
http://www.electronictechnology.com/new/mgad.php?sublnk=article&mcontentid=3867&contentid=MQ==