數(shù)字隔離技術(shù)(電子工程專輯)" src="http://files.chinaaet.com/images/20101222/b40e9c56-8ef4-463d-82d7-ff741e7d13cf.jpg" />
圖1：電動(dòng)車典型系統(tǒng)架構(gòu)。
與工業(yè)應(yīng)用相較,，汽車和運(yùn)輸應(yīng)用對(duì)隔離有著不同要求,。堅(jiān)實(shí)可靠當(dāng)然是必須的，而對(duì)磁“噪聲”也必須要有強(qiáng)大抵抗力,。車內(nèi)的大功率水平(如工作在400V的100KW馬達(dá),，意味著250A的工作電流)會(huì)在車內(nèi)產(chǎn)生必須妥善處理的強(qiáng)磁場。所用零件的使用期限必須足夠長以滿足車輛預(yù)期壽命要求,；例如必須滿足大型運(yùn)輸應(yīng)用幾十年的使用要求,。用于汽車環(huán)境的產(chǎn)品，將推動(dòng)對(duì)汽車應(yīng)用質(zhì)量(Q1)的要求,，以及要滿足-40至+125℃的工作溫度范圍,。
同時(shí),，這些領(lǐng)域的成本壓力，將推動(dòng)對(duì)更高系統(tǒng)整合度的要求,，因此,，具備隔離功能的單芯片產(chǎn)品，如CAN收發(fā)器,、ADC或門極驅(qū)動(dòng)器等組件就展現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì),。
不同的數(shù)字隔離技術(shù)
原則上，有四種不同的數(shù)字隔離方法：光,、電感式,，電容式和射頻式。以下將介紹前三種方法,。
光隔離技術(shù)使用透明絕緣隔離層進(jìn)行光傳輸來實(shí)現(xiàn)光隔離,。透過驅(qū)動(dòng)LED(發(fā)光二極管)，數(shù)字信號(hào)從電轉(zhuǎn)換成光,。然后通過隔離層傳輸這個(gè)光信號(hào),，再用光學(xué)檢測(cè)組件(光電二極管、光電晶體管)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào),。
光隔離的主要優(yōu)點(diǎn)是光對(duì)電場或磁場具有免疫力及有可能輸送靜態(tài)信號(hào),。在隔離層的接收側(cè)(flipside)，光隔離器的工作頻率(傳輸速度)受限于LED相對(duì)較慢的特性,。對(duì)混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車應(yīng)用來說,，光隔離有限的壽命是一個(gè)主要缺點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移,，LED的效率將降低，從而需要加大信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流(通常從10mA開始),，所以,，隨著時(shí)間的綿延，這種光隔離終將無法發(fā)揮功用,。
電感隔離使用兩個(gè)線圈之間的磁場變化實(shí)現(xiàn)跨隔離勢(shì)壘(isolation barrier)的通訊,。電感隔離法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是共模和差分傳輸間的不同，這意味著它的抗噪能力良好,。這種方法的缺點(diǎn)是可能來自磁場的失真,，對(duì)混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車應(yīng)用的馬達(dá)控制環(huán)境來說，這種失真很常見,。
電容隔離利用穿越隔離勢(shì)壘的電場變化,。電容隔離法的好處是對(duì)磁場的免疫力更強(qiáng)和長的系統(tǒng)壽命。電容隔離與電感隔離法的傳輸速度近似,。
但電容隔離法的缺點(diǎn)是沒有差分信號(hào)(即：信號(hào)和噪聲共享同一信道),。另外，與電感隔離法一樣，它們都不能直接傳輸靜態(tài)信號(hào)(必須先與頻率信號(hào)進(jìn)行編碼),。
隔離產(chǎn)品
一個(gè)采用電容隔離法的例子是德州儀器的ISOxxxx系列,。圖2是ISO72xx系統(tǒng)簡化架構(gòu)圖。ISOxxxx組件在單一封裝內(nèi),，整合兩個(gè)放置在分離型導(dǎo)線架上的裸晶,，以及傳送和接收芯片。兩個(gè)裸晶間僅透過一條接合線連接,。在接收器上實(shí)現(xiàn)的實(shí)際隔離功能,，是采用基于二氧化硅(SiO2，即玻璃)的,，以銅和摻雜硅為基板電極的電容(圖3),。使用SiO2可帶來高可靠性和長壽命的優(yōu)點(diǎn)。
圖2：TI的ISO 72xx系列架構(gòu)圖,。
圖3：TI的ISO72xx系列裸片照片,，右側(cè)的接收器芯片上采用了二氧化硅隔離。
兩個(gè)信道同時(shí)允許直流和交流通訊,，此外,，它還具有故障防范功能。
基本AC信道使用輸入信號(hào),，并在過濾后透過由隔離電容組成的差分對(duì)傳輸該信號(hào),。然后，接收芯片上的施密特觸發(fā)器的輸入端對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),，最后經(jīng)輸出緩沖器輸出該接收到的信號(hào),。它可實(shí)現(xiàn)非常高速的傳輸、輕微脈寬失真和短傳輸延遲,，但不能發(fā)送DC信號(hào),。
可用DC通道透過隔離勢(shì)壘傳送DC(或速度非常低的)信號(hào)。芯片上振蕩器將信號(hào)編碼為PWM信號(hào),，借助與AC信道類似的差分信號(hào)越過隔離勢(shì)壘進(jìn)行傳送,。在接收芯片端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行譯碼并送至輸出緩沖器,。
但是,，DC信道也用于故障防范功能。例如,，如果發(fā)送端的電源電壓不夠高,，則振蕩器將停止工作，這就意味著接收端將檢測(cè)不到數(shù)據(jù)信號(hào),，從而發(fā)出故障指示并輸出高電平,。在正常工作(即有足夠的數(shù)據(jù)傳輸密度)時(shí),，輸出多任務(wù)器將忽略DC通道；但當(dāng)AC通道在約4us的時(shí)間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí),，DC信道將得到優(yōu)先權(quán),。一旦AC信號(hào)有一個(gè)跳變，多任務(wù)器將立即又切換回該通道,。
有多種隔離組件可用以滿足不同配置(單到四)要求,。它們都能在高達(dá)150Mbps的數(shù)據(jù)速率下，提供560V的連續(xù)絕緣(4kV峰值瞬態(tài)),。另外,，這些組件都滿足汽車級(jí)應(yīng)用要求。
可靠性考慮及外部電磁場免疫力
嚴(yán)酷的汽車和交通運(yùn)輸環(huán)境,，加上車輛的長使用壽命等特點(diǎn),，要求組件具有特殊特性。平均無故障時(shí)間(MTTF)是確定半導(dǎo)體電路可靠性的一種標(biāo)準(zhǔn)方法,。對(duì)隔離組件來說,，它同時(shí)適用于集成電路和隔離原理這兩方面。應(yīng)使用90%的可信任水平和125℃的環(huán)境溫度進(jìn)行評(píng)測(cè),，典型電容和電感組件的平均無故障時(shí)間超過2,000年,，而FIT(109小時(shí)內(nèi)的故障數(shù))在60以內(nèi)。而典型光學(xué)組件的平均無故障時(shí)間只有30年,，F(xiàn)IT將近4,000,。
就對(duì)磁場的免疫力來說，圖4比較了感性與容性組件,。感性組件和容性組件(ISO721)都具有遠(yuǎn)超IEC61000標(biāo)準(zhǔn)的高磁場免疫力,。但，容性組件ISO721更勝一籌,，這對(duì)惡劣的汽車環(huán)境應(yīng)用特別重要,。
圖4：對(duì)外部磁場的免疫力。