【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(chē)、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(wàn)不要在你的電路設(shè)計(jì)中忽略了隔離。
要說(shuō)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(chē)、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(wàn)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(jué)得隔離是老生常談的問(wèn)題，它關(guān)乎著電路的安全，也關(guān)乎著人身安全。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(kāi)來(lái)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(kāi)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(lái)噪音和危害之外，更可能對(duì)人體造成危害。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，電動(dòng)汽車(chē)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(lèi)設(shè)備、儀表和旋鈕，這離不開(kāi)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(kāi)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(guó)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(lái)控制高電壓高電流的另一電路開(kāi)合，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了電路遠(yuǎn)程控制和保護(hù)。
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(jué)。這種簡(jiǎn)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(guò)某種方式實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。
不過(guò)，電磁繼電器的劣勢(shì)顯而易見(jiàn)，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(lèi)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(lái)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(wú)法脫逃它的束縛。光耦如今也遇到了電磁繼電器同樣的問(wèn)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(ài)恨情愁
數(shù)字隔離器并不難理解，它和光耦類(lèi)似，只不過(guò)是將光電轉(zhuǎn)換調(diào)制變成了其它技術(shù)。不過(guò)，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(kāi)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(méi)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)。
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(lèi)似，只不過(guò)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(lái)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)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(lèi)客戶(hù)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(lèi)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(hù)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(wèn)題，需要想辦法抑制。
通常的OOK技術(shù)比較直接，進(jìn)來(lái)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(guò)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?wèn)題，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(guó)內(nèi)隔離器廠商納芯微為例，其在OOK基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了Adaptive OOK?調(diào)制專(zhuān)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(guò)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(méi)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(lái)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(zhǎng)非常迅速。這里面不乏專(zhuān)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(jiǎn)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(lái)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。
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(jiǎn)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(lái)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(lái)說(shuō)，更多的是工業(yè)和汽車(chē)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(guò)安規(guī)認(rèn)證的產(chǎn)品。
無(wú)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(lèi)產(chǎn)品也不例外。通過(guò)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(kāi)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(guó)內(nèi)外公司都在不約而同地布局更多隔離產(chǎn)品大類(lèi)，從單一品類(lèi)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(lèi)豐富之外，伴隨著新應(yīng)用、新市場(chǎng)越來(lái)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(chē)、光伏、儲(chǔ)能中越來(lái)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(guò)程中，客戶(hù)更愿意嘗鮮數(shù)字隔離器。
寫(xiě)在最后
我們見(jiàn)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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