在系统设计中如何选择隔离器

经常有电子工程师网友提出这样的问题，在系统设计中，很困惑的一个问题是，不知如何去选择一个合理的、适用的隔离器。前两天，记者采访了ADI公司数字隔离器产品高级应用工程师周晓奇，他就有关隔离器在电路中的作用、工程师在数字隔离器选型时应该注意哪些步骤等问题，给电子工程师们一个很好的解答。

为什么要用隔离器

隔离器主要是用在隔离高压(危险电路)系统和低压(安全电路)系统之间的电气连接，以保护用户以及电路系统安全，以及隔离敏感电路(比如高精度检测电路)和噪声源(例如大功率开关电源)之间的连接，以减小噪声干扰。

周晓奇说，隔离器的主要结构大致有四种: 一是传统光电耦合; 二是集成式变压器(磁耦合);三是集成式电容耦合; 四是分立式变压器耦合。最常用的是光耦合器，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光检测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。它的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

随着近几年数据传输的速度不断提升，传统的光耦合器也暴露出一些缺点，例如，整个电路体积大，集成度不高，而且光电耦合器件本身具有易损耗、速度较慢(一般的数据速率低于1Mbps)、耗电量大等缺点，特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定，为其应用带来局限，特别是在工业应用中这些问题就比较突出。为了克服光电隔离技术的诸多缺点，许多半导体公司开始研发不发光的隔离器解决方案。周晓奇告诉记者，ADI公司是最早一家推出新型数字隔离器解决方案的公司，并于2001年率先推出基于其专有iCoupler磁耦隔离技术的标准数字隔离产品。

新型数字隔离器

周晓奇介绍说，iCoupler 技术是基于芯片尺寸的变压器，每个iCoupler通道都由两部分组成：CMOS接口电路和芯片级变压器。而iCoupler隔离变压器的核心正是这个能够穿越隔离阻障并发射与接收信号的平面变压器，它们不仅能够提供隔离，而且消除了光耦合器中光电转换的缺点，包括功耗过大、较大的时序误差和数据速率受限等。事实上，由于无需驱动LED 的外部电路，iCoupler数字隔离器功耗仅为光电耦合器的1／10～1／50。

iCoupler隔离变压器可实现数千伏(5000V) 的隔离，其高耐压的关键在于发送和接收变压器的顶层和底层线圈之间，采用厚达20 μm 的聚酰亚胺材料作为隔离层，在4 mm×4 mm芯片上集成了4个变压器(图1)。周晓奇说，这种新型数字隔离器的优势主要体现在：一，传输速度更快，远高于传统光耦，高达150 Mbps。二，静态/动态电流更小。三，寿命更长，在耐高压和耐击穿的使用范围内寿命甚至可达50年。四，可以集成标准CMOS工艺下的其他功能。五是可以在芯片内部实现隔离电源，并具有更小的体积和厚度。

iCoupler隔离器的工作原理是，当数字隔离器的输入端接收到信号的上升沿或者下降沿时，会将这些信号编码成双脉冲或者单脉冲，并通过集成变压器传递到另一侧。同时通过解码器将这些脉冲信号还原成和输入信号相同的波形。与此同时，iCoupler数字隔离器还集成了看门狗电路，当信号长时间不发生变化时，输入侧的更新电路也会定时发出相应的脉冲信号到输出端，如果输出端的看门狗电路长时间没有收到任何信号，会认为输入端进入异常状态，此时，输出端的输出信号会回到预先设定的默认值(图2)。

周晓奇表示，从2001年，ADI推出第一款iCoupler隔离器产品，现已有10大系列、100多个种类，是目前业界种类最齐全的隔离器产品，包括标准数字隔离器、采用iso Power的数字隔离器、集成PWM控制器和变压器驱动器的数字隔离器、USB 2.0兼容型隔离器、隔离式门驱动器、隔离式I2C数字隔离器、隔离式RS-485收发器、隔离式RS-232器件和隔离式Σ-Δ型ADC等。可以说，几乎任何应用都可以找到一款合适的iCoupler产品来满足您的设计需求。


应用案例

采访中，周晓奇还特别列举了两个iCoupler数字隔离器应用的成功案例。

一是，2012年，ADI为西门子航空航天业务集团的PowerSCOE系统提供了其高度集成的iCoupler数字隔离解决方案。作为一个先进的卫星电源保护系统，当卫星出现异常时，它能在几微秒内关闭卫星中的数千瓦电源。西门子航空航天业务集团设计该系统时还考虑到其它技术，如智能电网电力监控等，但由于每个通道都包含辅助模拟输入及数字和模拟输出，因此最大的挑战是要确保100个通道彼此隔离。PCB上有100多路模拟和数字I/O。面对如此高的PC B密度，传统的光耦合器和DC/DC转换器解决方案已无能为力。最终ADI高度集成的iCoupler数字隔离器卓越的性能表现获得了西门子的信赖，也再次验证了iCoupler技术的领先优势。

二是，客户利用ADI的iCoupler和isoPOWER技术带有集成隔离电源的数字隔离器，设计了非常小型化USB接口的工业级别的传感器系列。这也得益于ADI的iCoupler系列产品，该系列传感器的外观非常紧凑(使用分立方案无法做到如此小的体积)，并且功耗非常低( 可以使用USB直接供电而不需要外部电源)。这个设计在使设备极小的同时，保证了足够的隔离强度，以保护现场工作人员的安全。

数字隔离器选型步骤

如何在设计中选择合理和适用的数字隔离器，周晓奇给电子工程师们提出了几点建议：

一．要了解自己的应用中的隔离强度需求：

A. 实际应用中的工作电压为多少？什么样的电网条件？(220V民用电网/工业用电网)

B. 实际的应用环境是怎样的？(海拔高度/湿度条件/温度条件)

C. 在该应用中采取的隔离保护级别是怎样的？保护对象是怎样的类型？(功能性隔离/基本安全隔离/增强型安全隔离)

D. 该应用应该符合哪个具体国际安全规范？

二．了解自己对隔离器工作速度和接口的要求：

A.在该应用中的最高速率是多少？

B.一个封装中需要多少个通道？

C. 在该应用中的时序要求，例如信号延迟的要求。

D. 是否需要集成其他功能(I2C/USB/RS-485/集成隔离电源)。

三．价格(每通道价格)。

四．在选择好数字隔离器后，在PCB布板时仍然要谨慎考虑耐高压的安规需求。

隔离器未来的技术挑战

隔离器未来的技术发展还将解决哪些技术上的关键问题，周晓奇认为，主要需解决以下几个方面的问题：1．更高的隔离电压需求；2．更高的传输速度；3．更多样化的接口和集成功能；4．寿命更长和更小的体积、更先进的封装技术。