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在電子元件領(lǐng)域，很少有創(chuàng )新能像數字隔離器那樣產(chǎn)生如此深遠影響，這些專(zhuān)用組件徹底改變了數字電路內信號傳輸和保護的方式，顯著(zhù)提高了各行業(yè)電子設備的性能和可靠性。讓我們深入了解下數字隔離器的基本原理、探索其重要性及其應用吧！
數字隔離器工作原理
數字隔離器系列產(chǎn)品采用全差分隔離電容技術(shù)。由 SiO2構成的高壓隔離電容為不同的電壓域之間提供可靠的絕緣屏障，并提供可靠的高頻信號傳輸路徑。為保證穩定的數據傳輸質(zhì)量，引入開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)調制解調技術(shù)。圖1為一款數字電容隔離器（DCI）的內部功能示意圖。該隔離器輸入分為兩個(gè)差分信號路徑：上半部分為低速通道——DC-通道，下半部分為高速通道——AC-通道。AC-通道傳輸介于100 kbps和100 Mbps之間的信號，而DC-通道則涵蓋了從100kbps以下的范圍。
圖1 數字電容隔離器示意圖
圖2左側顯示了一個(gè)單通道、電容隔離器的內部簡(jiǎn)化結構圖。從內部來(lái)看，隔離器由兩個(gè)部分組成：發(fā)送器和接收機。實(shí)際隔離層由接收機芯片上的高壓電容器提供。由于A(yíng)C-通道和DC-通道均使用同一種差分信號技術(shù)抑制數據傳輸期間的高噪聲，因此必需要有4個(gè)隔離電容器來(lái)形成一條單隔離數據通道。
圖2 單通道電容隔離器的內部結構
圖2右側為一個(gè)高壓電容器的橫截面示意圖。從發(fā)送器芯片出來(lái)的接合線(xiàn)連接到接收機端電容器鋁頂板，底板（也為鋁質(zhì)）連接到接收機邏輯。板之間是夾層電介質(zhì)，其為16-μm厚的SiO2。使用SiO2作為夾層電介質(zhì)有兩個(gè)好處：一、使用常規半導體制造技術(shù)就可以處理SiO2，從而大大降低了生產(chǎn)成本；二、它是具有最小老化效應且最穩定的隔離材料之一，因此電容隔離器的預計壽命遠遠超過(guò)其他技術(shù)。
隔離器使用壽命
隔離器的使用壽命主要取決于所用材料及其厚度。由于制造帶來(lái)的雜質(zhì)和不完整性缺陷，電介質(zhì)會(huì )隨時(shí)間而退化，這種退化會(huì )由于電介質(zhì)上施加的電場(chǎng)及其溫度的上升而加快。其中預計使用壽命是基于TDDB E電介質(zhì)擊穿模型來(lái)確定。
實(shí)際上，周?chē)鷾囟染S持在150℃時(shí)，TDDB由隔離器的施加應力電壓決定（請參見(jiàn)圖3）。測試之初便激活一個(gè)計時(shí)器，其在隔離器電流超出1mA時(shí)停止，表明電介質(zhì)擊穿。記錄每個(gè)測試電壓的故障時(shí)間，并根據理論E模型曲線(xiàn)進(jìn)行繪圖。
圖3 TDDB測試方法
圖4 E模型曲線(xiàn)
下圖所示的TDDB曲線(xiàn)表明，電容隔離器的測試數據完全匹配 E模型預測，從而得出在2000Vrms工作電壓下20年的預計使用壽命。
圖5 隔離器的預計使用壽命曲線(xiàn)圖
若要達到10到30年的工業(yè)預計使用壽命，目前使用SiO2電介質(zhì)的電容隔離器是實(shí)現這個(gè)目標唯一可行的解決方案。
數字隔離器抗擾度——CMTI
CMTI即Common Mode Transient Immunity。CMT共模瞬變抗擾度，是指對施加在隔離電路中的高速瞬變共模電壓上升時(shí)（或下降）容許的速率dv/dt，通常以KV/us表示。上升斜率越快引起的干擾沖擊就越大，衡量隔離器件在共模瞬變時(shí)依然能夠正常傳輸信號的能力。如圖六所示，為數字隔離器CMTI測試模型框圖。
圖六: CMTI測試模型
在電機驅動(dòng)等典型應用中，使用PWM脈寬控制柵極驅動(dòng)MOSFET進(jìn)而驅動(dòng)電機。MOS FET等功率器件往往工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，若使用普通的硅MOSFET，產(chǎn)生的電壓跳變(dV/dt)干擾通常在40kV/ μs以?xún)?，大多數的隔離產(chǎn)品CMTI都可以滿(mǎn)足該需求。而同樣參數的碳化硅/氮化鎵器件，開(kāi)關(guān)速度更快，特別是下降沿時(shí)會(huì )更加惡劣，如下是模擬CMTI下降沿測試電路：
圖七：CMTI下降沿測試電路
在使用碳化硅MOS FET時(shí)，所產(chǎn)生共模干擾的最大下降斜率會(huì )達到200kV/μs，因此要求隔離產(chǎn)品具備200kV/μs以上CMTI能力。
圖八：CMTI下降沿測試波形
如果隔離產(chǎn)品的CMTI能力不夠，dV/dt干擾會(huì )對低壓側控制信號造成很大的影響。一旦產(chǎn)生誤脈沖，嚴重情況下會(huì )導致橋臂直通，引發(fā)短路，造成嚴重的產(chǎn)品失效事故。隨著(zhù)新能源的普及，越來(lái)越多的場(chǎng)景使用碳化硅/氮化鎵器件，提高隔離產(chǎn)品的CMTI能力迫在眉睫。
數字隔離器設計建議
為了保持隔離等級，隔離器件下方的空間應避免布線(xiàn)、過(guò)孔和平面。如果某應用不需要高壓保護，僅需要接地隔離或比數字隔離器更低的隔離等級，則隔離器件下方可以出現布線(xiàn)、過(guò)孔或平面，但要注意符合爬電距離/電氣間隙要求，也可使用凹槽和切口來(lái)增加爬電距離。下圖是某款數字隔離器的示例布局示意圖：
總 結
總體來(lái)說(shuō)，隔離器就是用于隔離電路之間的信號干擾，提高系統的穩定性和安全性。光耦過(guò)去是用來(lái)隔離電路的，然而，隨著(zhù)CMOS技術(shù)的進(jìn)步，數字隔離器已成為隔離的首選技術(shù)。
思瑞浦公司簡(jiǎn)介
思瑞浦秉承獨立開(kāi)發(fā)、自主創(chuàng )新的理念，憑借在隔離產(chǎn)品領(lǐng)域的創(chuàng )新技術(shù)和優(yōu)勢資源，集聚了豐富的技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利，包括基礎隔離、傳輸電路、工藝優(yōu)化、新型封裝等。截至目前，已推出數字隔離器、隔離接口、隔離采樣、隔離驅動(dòng)等多個(gè)產(chǎn)品系列，獲得市場(chǎng)與客戶(hù)的一致認可與好評。同時(shí)思瑞浦汽車(chē)級隔離產(chǎn)品均通過(guò)第三方AEC-Q100可靠性認證。
思瑞浦隔離產(chǎn)品矩陣
思瑞浦隔離產(chǎn)品具備±200kV/ μs的靜態(tài)CMTI, 動(dòng)態(tài)CMTI也高達±150kV/ μs具備高隔離電壓，高抗沖擊能力，相關(guān)技術(shù)指標處于國內領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平，可以滿(mǎn)足絕大多數工業(yè)應用場(chǎng)景的可靠性需求。特別適合 碳化硅/氮化鎵的應用在新能源、工廠(chǎng)自動(dòng)化、電力自動(dòng)化、電機驅動(dòng)、電源控制、醫療等場(chǎng)景下。保留足夠的設計余量， 提高系統的魯棒性！
思瑞浦擁有隔離品專(zhuān)用TDDB實(shí)驗室
思瑞浦建立了專(zhuān)門(mén)針對隔離產(chǎn)品的TDDB實(shí)驗室，實(shí)驗室內運行的是思瑞浦自主開(kāi)發(fā)的高壓TDDB測試系統，可以實(shí)現 7*24小時(shí)不間斷地全自動(dòng)TDDB測試，可以針對隔離產(chǎn)品進(jìn)行 長(cháng)達數月甚至更長(cháng)的TDDB測試。
思瑞浦TDDB實(shí)驗室
思瑞浦可提供全系列安規認證VDE、TüV、UL、CSA、CQC、CB
為了滿(mǎn)足全球不同國家和地區客戶(hù)的需求，思瑞浦所有隔離產(chǎn)品（工業(yè)級和汽車(chē)級）可同時(shí)提供全系列安規認證：VDE、TüV、UL、CSA、CQC、CB。UL和CSA主要針對北美，包括美國和加拿大地區的客戶(hù)和出口北美的產(chǎn)品；CQC是中國地區的安規認證證書(shū)；IEC CB則為國際通用的安規認證證書(shū)。VDE和TüV主要針對歐洲地區客戶(hù)以及出口歐洲的產(chǎn)品。
3PEAK隔離產(chǎn)品選型表
3PEAK數字隔離器命名規則
