【導(dǎo)讀】隔離本身并不具備特別的計算、處理或轉(zhuǎn)換能力，但是其發(fā)展卻與工業(yè)、汽車、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)安全的保護神，所以千萬不要在你的電路設(shè)計中忽略了隔離。
要說電路設(shè)計有什么需要投入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算、處理或轉(zhuǎn)換能力，但是其發(fā)展卻與工業(yè)、汽車、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)安全的保護神，所以千萬不要在你的電路設(shè)計中忽略了隔離。
隔離，隱形的守護者
可不要覺得隔離是老生常談的問題，它關(guān)乎著電路的安全，也關(guān)乎著人身安全。
簡單來說，電子設(shè)備中，執(zhí)行系統(tǒng)與控制系統(tǒng)間電壓不同，一個是數(shù)百伏交流，一個是低壓直流，就和生活中，我們會把低壓和高壓隔離開來一個道理，高壓系統(tǒng)往往會更容易出現(xiàn)靜電放電、射頻、開關(guān)脈沖和電源擾動，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噪音和危害之外，更可能對人體造成危害。
舉一個簡單的例子，電動汽車內(nèi)電池電壓可達400V，甚至是800V，但駕駛員依然可以從容且安全地操作各類設(shè)備、儀表和旋鈕，這離不開各種形式的隔離，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，用什么隔離就顯得尤為重要。
自從電力為人所用開始，人們就渴望安全可靠的電力控制手段。19世紀30年代，美國物理學(xué)家約瑟夫·亨利在研究電路控制時，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，來控制高電壓高電流的另一電路開合，它的出現(xiàn)實現(xiàn)了電路遠程控制和保護。
利用一節(jié)干電池控制電磁鐵，就可以驅(qū)動220V交流電，實現(xiàn)安全的控制（或信息傳輸），有種四兩撥千斤的感覺。這種簡單的步驟就是隔離的本質(zhì)，即兩個不相干的彼此絕緣的電路間，通過某種方式實現(xiàn)關(guān)聯(lián)。
不過，電磁繼電器的劣勢顯而易見，體積大、功耗高、易損壞。
為了克服以上缺點，光耦便應(yīng)運而生，它利用光電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了傳輸與控制，在芯片級尺寸上實現(xiàn)相類似功能。基于光敏電阻的光隔離器于 1968 年推出，相比于變壓器，光耦體積小、重量輕、價格便宜并且可靠性高，迅速成為了市場主流。光耦發(fā)展的時代，也是集成電路和信息化發(fā)展的時代，低壓控制計算單元與大功率的電機、電源之間的交互越來越多，光耦也得以大發(fā)展。
當然，微電子領(lǐng)域性能、功耗、體積是永遠的話題，任何強大的技術(shù)也無法脫逃它的束縛。光耦如今也遇到了電磁繼電器同樣的問題，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。
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)字隔離器的愛恨情愁
數(shù)字隔離器并不難理解，它和光耦類似，只不過是將光電轉(zhuǎn)換調(diào)制變成了其它技術(shù)。不過，相比而言，數(shù)字隔離器不會出現(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，包括開關(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)材料進行電壓阻隔。電容器是一種能夠存儲電荷的元件，它由兩個導(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。
利用電容器通高阻低的特性，可以進行信號的調(diào)制傳輸。當輸入一個高低高低的數(shù)字信號以后，芯片內(nèi)部會進行信號調(diào)制，高頻調(diào)制低頻信號，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”兩個信號，用不同頻率調(diào)制，比如高頻信號代表1，沒有調(diào)制的直流信號代表0，然后傳輸兩個狀態(tài)切換的信號。
電容隔離器產(chǎn)品框圖及OOK示意圖
磁隔離器方面，與電容類似，只不過采用線圈的方式，利用電磁變換進行數(shù)據(jù)傳輸。
總而言之，數(shù)字隔離器進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)域從來不存在完美，數(shù)字隔離器的優(yōu)勢很明顯，但總會有一些權(quán)衡取舍。
首先，由于數(shù)字隔離器相對較新，因此其可靠性在不斷完善和論證中。伴隨相關(guān)國際標準、國內(nèi)標準相繼建立，現(xiàn)已形成一整套完善的認證流程和標準，也逐步獲得了各類客戶的認可。
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型不完全兼容，這時就需要對設(shè)計進行改版，有時客戶因為風(fēng)險考慮，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，可以實現(xiàn)直接進行設(shè)計替代。
最后，電容隔離器可能會存在共模干擾問題，需要想辦法抑制。
通常的OOK技術(shù)比較直接，進來的信號是什么，就直接進行相應(yīng)調(diào)制，然后在另外一邊進行相應(yīng)的解調(diào)。高頻調(diào)制后，信號和高頻共模電路都通過一個路徑進行傳輸，因此會有共模干擾存在，這也是普通電容隔離器的不足之處。
正是因為存在上述的問題，所以在挑選器件時才更要格外上心。有幾種可以明顯提升抗共模干擾能力的方法，以國內(nèi)隔離器廠商納芯微為例，其在OOK基礎(chǔ)上開發(fā)出了Adaptive OOK?調(diào)制專利，提升了數(shù)字隔離器的抗共模干擾能力。
所謂Adaptive其實就是自適應(yīng)，通過芯片內(nèi)部共模檢測電路檢測共模信號狀態(tài)，再根據(jù)檢測信號，動態(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，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，只有當瞬間干擾比較大時，電路才需要執(zhí)行更多功能以抑制干擾，而在大部分沒有惡劣工況、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)。
讓隔離更進一步
從數(shù)字隔離器細分市場來看，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，且出貨量增長非常迅速。這里面不乏專利的原因，另外則是由于電容隔離在整個生產(chǎn)制造上相對簡單，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。
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景。
就拿納芯微產(chǎn)品來看，便可印證上述趨勢。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：不同的隔離等級介紹
電容隔離器其實是“螺螄殼里做道場”，雖然原理簡單，但一些工藝和微架構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新都對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進一步提升耐壓能力。另外電容的電場場強分布對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，都會影響性能。
其次，在魯棒性上，對于隔離產(chǎn)品的應(yīng)用場合來說，更多的是工業(yè)和汽車等高壓應(yīng)用場景，隔離產(chǎn)品是屬于安規(guī)產(chǎn)品，涉及安全相關(guān)，在這些場景下，一定要選擇經(jīng)過安規(guī)認證的產(chǎn)品。
無論是模擬、接口、信號鏈等產(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)用場景，隔離類產(chǎn)品也不例外。通過基礎(chǔ)的隔離功能，再結(jié)合其他接口、驅(qū)動或者采樣等相關(guān)知識，便可讓隔離技術(shù)有著更廣泛的應(yīng)用。
從應(yīng)用場景反推出產(chǎn)品定義是產(chǎn)品開發(fā)的主要思路，同時也是最主要的挑戰(zhàn)，這些圍繞應(yīng)用進行的“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，除了要處理數(shù)字信號，還要求廠商在具體應(yīng)用場景中熟悉驅(qū)動相關(guān)的功率知識、與不同廠商功率管適配。更進一步的是，碳化硅等第三代寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用對隔離驅(qū)動的安全和數(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鏈領(lǐng)域的積累。
此外，隔離器有時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內(nèi)外公司都在不約而同地布局更多隔離產(chǎn)品大類，從單一品類轉(zhuǎn)向“隔離+”拓展策略，為更多產(chǎn)品提供隔離能力。
除了產(chǎn)品種類豐富之外，伴隨著新應(yīng)用、新市場越來越多，也讓數(shù)字隔離器和光耦處在了同一起跑線上。包括電動汽車、光伏、儲能中越來越多細分應(yīng)用領(lǐng)域正在涌現(xiàn)，對于數(shù)字隔離器的需求激增，在這些新應(yīng)用的設(shè)計過程中，客戶更愿意嘗鮮數(shù)字隔離器。
寫在最后
我們見證了電磁繼電器和光耦的輝煌，而現(xiàn)在，則是屬于數(shù)字隔離器的時代。
仔細檢查你的電路板，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)，這也有助于您進一步了解數(shù)字隔離器。
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