简述数字隔离器原理及应用

数字隔离器是一种无需使用光耦合器就可以隔离系统元件之间的数字信号的设备，它们通过在单个设备上结合CMOS和单片空芯变压器来实现这一点，从而使它们非常小且成本低。数字隔离器通常支持多个信号路径通道。

数字隔离器消耗非常少的功率（每通道在毫瓦范围内）可以连接相对高速的信号（高达150Mbps），并且具有高电隔离高达5kV。隔离很重要，因为静电放电或其他噪声尖峰无意中耦合的逻辑电路会损坏集成电路。通过将隔离器与信号电路串联，从信号线上滤除高压尖峰，防止发生这种损坏。

在内部，数字隔离器对输入信号进行滤波（毛刺滤波器），检测信号边缘并驱动在硅片上实现的变压器的初级线圈。信号被耦合到次级线圈（变压器提供隔离），在那里它被检测并解码回信号电平并从设备输出。数字隔离器使用的其它技术包括电容耦合而不是电感耦合变压器。

目前需要使用数字隔离器的常见应用包括数字高速多通道电路、串行接口隔离和用于监控数字信号的仪器，如逻辑分析仪。数字隔离器是交流耦合的，信号的直流分量无法通信。

需要注意的是，数字隔离器需要时钟编码数据——这种时钟可以作为电感或电容隔离器的驱动器和接收器的一部分内置到设备中，并且对用户不可见。

数字隔离器逐渐取代光耦合器

众所周知，隔离器广泛应用于电子电路设计，尤其是工业电子设备中，通常采用直流隔离，以防止潜在的高压危害对系统和用户造成伤害。特别是，由于工业电子设备必须在充满强电磁场、浪涌、快速瞬变、高本底噪声等不稳定因素的恶劣环境中稳定运行，以确保设备能够长时间无故障运行。在这种环境下，可靠的隔离电路已成为必备。

在过去的40年里，光耦合器经常被用于信号隔离元件。硅基隔离技术取得突破后，更小、更快、更稳定、具有成本优势的数字隔离器应运而生。在很多终端单元中，这种新型隔离元件已经逐渐取代了传统的光耦。

工业市场使用的隔离器主要用于组件保护、用户安全、信号电平转换和遵守安全法规。在所有情况下，隔离组件通过启用附加功能并确保系统的安全运行来为系统增加价值。添加隔离组件通常会提高电路性能并提高组件安全性。隔离器件允许多个电源域共存和通信，这意味着保护敏感电路免受开关电路的影响。现代数字隔离允许大规模集成，这意味着电路元件数量可以大大减少。

传统的光耦合器是一种混合器件，它使用LED光将数据通过隔离栅传输到光检测器。LED在逻辑高时打开，在逻辑低时关闭。光耦合器消耗大量功率，容易受到老化和温度影响，并提供有限的数据速率，通常低于1Mbps。

另一方面，数字隔离设备的创建是为了满足安全法规，同时最大限度地发挥现代CMOS技术的优势。为此，数字隔离设备使用半导体工艺技术来制造变压器或电容器来传输数据而不是光。

光耦合器虽然包含在许多设计中，但都是基于过时的LED技术，可提供随输入电流、温度和使用年限的显着输出变化，这会降低设备生命周期内的性能。而数字隔离组件可轻松提供具有更小的占位面积的多通道隔离解决方案，由于故障率较低而提高系统可靠性，提供两倍的电气噪声抗扰度，在更宽的温度范围（-40℃至125℃ ）下工作，并且不会老化或随着时间的推移而退化。

（数字隔离器和光耦合器的对比）

数字隔离器选择注意事项

特性集和隔离性能都是选择数字隔离器时要考虑的两个因素。在功能集方面，考虑隔离通道的数量和通道配置。在隔离性能方面，了解系统所需的隔离等级非常重要。瞬态抗扰度和电磁辐射分布是与隔离结构相关的其他考虑因素。对于隔离等级，考虑到系统环境，可能需要考虑封装选项。

对于设计人员而言，第一个挑战是为每个应用选择正确的数字隔离器。一旦确定并设计了合适的设备，系统设计人员就可以按照他们的典型方式进行系统评估。此外，这些数字隔离器必须符合UL、CSA、VDE和CQC等终端安全机构要求的相应安全标准。

这些安全机构使用其组件安全标准来确定并指定安全组件的一分钟耐压额定值，通常为2.5kVrms、3.75kVrms或5kVrms，或其使用寿命工作电压，通常在125Vrms之间至1000Vrms。对于浪涌保护，一些设备可以达到10kVpk。

对于需要高达250Vrms工作绝缘的基本绝缘和加强绝缘的末端系统，两种最常见的爬电距离和电气间隙要求分别为3.2mm和6.4mm。这些CMOS数字隔离器使设计人员能够创建成本更低、尺寸更小、性能更高、功耗更低和更可靠的隔离电路。

总结

简单来说，隔离器就是用于隔离电路之间的信号干扰，提高系统的稳定性和安全性。光耦过去是用来隔离电路的；然而，随着CMOS技术的进步，数字隔离器已成为隔离的首选技术。