【導讀】隔離本身并不具備特別的計算、處理或轉換能力，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。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計中忽略了隔離。
要說電路設計有什么需要投入100%關注度，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。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，它關乎著電路的安全，也關乎著人身安全。
簡單來說，電子設備中，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備、儀表和旋鈕，這離不開各種形式的隔離，它們構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，美國物理學家約瑟夫·亨利在研究電路控制時，利用電磁感應現(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，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，光耦便應運而生，它利用光電轉換實現(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，微電子領域性能、功耗、體積是永遠的話題，任何強大的技術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。
隨著半導體技術的發(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，只不過是將光電轉換調制變成了其它技術。不過，相比而言，數(shù)字隔離器不會出現(xiàn)光學衰減等現(xiàn)象，與光耦不同，憑借半導體技術，數(shù)字隔離器擁有諸多優(yōu)勢，包括開關特性好、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，是利用芯片內部的微型電容進行芯片左右兩側的高壓隔離，中間使用高電介質材料進行電壓阻隔。電容器是一種能夠存儲電荷的元件，它由兩個導體板和介質組成，其特性是通高頻、阻低頻，中間介質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，可以進行信號的調制傳輸。當輸入一個高低高低的數(shù)字信號以后，芯片內部會進行信號調制，高頻調制低頻信號，使其可以傳輸?shù)叫酒硗庖粋?。典型的OOK（On Off Key）調制就是把“0、1”兩個信號，用不同頻率調制，比如高頻信號代表1，沒有調制的直流信號代表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。伴隨相關國際標準、國內標準相繼建立，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)界占有主導地位，尤其是在一些傳統(tǒng)應用中。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，這時就需要對設計進行改版，有時客戶因為風險考慮，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，在輸入特性上內建電路模擬二極管特性，與光耦器件完全相同，應用設置也相同，可以實現(xiàn)直接進行設計替代。
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技術比較直接，進來的信號是什么，就直接進行相應調制，然后在另外一邊進行相應的解調。高頻調制后，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，以國內隔離器廠商納芯微為例，其在OOK基礎上開發(fā)出了Adaptive OOK?調制專利，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，通過芯片內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)、自適應地調節(jié)內部關鍵電路特性或增益，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制造上相對簡單，和一般的非隔離器件的晶圓生產差別不大，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構、形狀等微架構設計，都會影響性能。
其次，在魯棒性上，對于隔離產品的應用場合來說，更多的是工業(yè)和汽車等高壓應用場景，隔離產品是屬于安規(guī)產品，涉及安全相關，在這些場景下，一定要選擇經過安規(guī)認證的產品。
無論是模擬、接口、信號鏈等產品，廠商都需要推出不同的產品系列，以滿足更多的應用場景，隔離類產品也不例外。通過基礎的隔離功能，再結合其他接口、驅動或者采樣等相關知識，便可讓隔離技術有著更廣泛的應用。
從應用場景反推出產品定義是產品開發(fā)的主要思路，同時也是最主要的挑戰(zhàn)，這些圍繞應用進行的“隔離+”產品的定義和單純的數(shù)字隔離器并不完全相同。
比如隔離驅動，除了要處理數(shù)字信號，還要求廠商在具體應用場景中熟悉驅動相關的功率知識、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體應用對隔離驅動的安全和數(shù)據(jù)傳輸有更多要求。
而在隔離接口產品中，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外公司都在不約而同地布局更多隔離產品大類，從單一品類轉向“隔離+”拓展策略，為更多產品提供隔離能力。
除了產品種類豐富之外，伴隨著新應用、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用領域正在涌現(xiàn)，對于數(shù)字隔離器的需求激增，在這些新應用的設計過程中，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使用了最新的技術，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)字隔離器技術吧，在下一篇文章中，我們將著重介紹數(shù)字隔離器的關鍵參數(shù)，這也有助于您進一步了解數(shù)字隔離器。
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