隔离发展趋势下的国际标杆数字隔离器

 行业动态     |      2022-11-23 09:43

数字隔离器是一种在电气隔离器状态下实现数字信号传输的器件,其基本功能是提供电气隔离的数字信号路径。在电子系统中,当传输数字信号和模拟信号时,数字隔离器使其具有高阻隔离特性,从而实现电子系统与用户之间的隔离。

引入隔离是为了满足安全法规或降低接地回路的噪声等。电流隔离确保数据传输不通过电气连接或泄漏路径光电隔离器作用,从而避免安全风险。然而,隔离不可避免地对延迟、功耗、成本和尺寸施加了限制。数字隔离器的目标是满足安全要求,同时最大限度地减少不利影响。目前,数字隔离器主要有三种类型:光耦合隔离器、磁耦合隔离器和电容耦合隔离器。

最常见的光耦数字隔离器虽然可以满足常见的隔离要求,但寿命短、功耗大,正在逐步被替代。电容耦合采用片上电容原理实现信号的隔离传输,寿命长,功耗低,传输速率高。磁耦合式可以在电容耦合的基础上传输附加能量,可以大大拓展隔离器的应用领域。

TI 数字隔离器

TI的基础型数字隔离器和增强型数字隔离器具有工作电压高、辐射低、功耗低、效率高等优点。TI 系列通常在隔离材料上使用专有的二氧化硅 (SiO2) 绝缘栅极来实现这些特性。除了基本的性能要求外,TI 的数字隔离器还可满足小尺寸或对成本敏感的应用。

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(ISO67xx 系列,德州仪器)

ISO67xx 系列是电容耦合数字隔离器,可提供出色的信号隔离性能,同时专注于低设计成本应用。该数字隔离器系列提供多通道选项,有助于改善对各种应用配置(SPI、UART、CAN、RS-485、GPIO 和 I2C 信号)中关键电路的保护。

从该系列下ISO6741的具体产品来看,ISO6741作为四通道数字隔离器,通过低功耗运行和电平转换提高了设计灵活性,支持1.71V至5.5V的宽电源电压范围。8kV(接触)ESD 性能可防止在维护期间损坏隔离器。数据速率高达 50 Mbps,同时在高达 1500V 和 75kV/µs 的典型共模瞬态抗扰度下运行。从以上指标水平来看,可以说ISO6741提供了牢不可破的隔离屏障。

如果说 ISO67xx 系列为低成本应用提供了绝佳的选择,那么 ISO70xx 系列则提供了业界顶级的超低功耗。

输出光电隔离击穿_光电隔离器作用_安全隔离栅和光电隔离

ISO67xx全系列产品可超低功耗工作,每通道电流消耗低至4.2μA,10kbps时总电流消耗小于20μA,功率可扩展至2Mbps。在低功耗的同时,ISO67xx支持3kVrms的隔离电压和典型值为100kV/μs的共模瞬变抗扰度,隔离足够可靠。

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(ISO6741, 德州仪器)

ADI 数字隔离器

ADI 的数字隔离器是利用 iCoupler 技术进行无限设计的磁耦合数字隔离器。总体而言,ADI公司的数字隔离器在鲁棒性和多通道灵活性(最多6通道)方面具有很大优势。

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(ADuM141ES,阿迪)

ADuM141ES 是一款适用于航空航天应用的 150 MBPS 四通道数字隔离器,采用 ADI 的专利 iCoupler® 技术。这些隔离元件结合了高速、互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和单片空芯变压器技术,以提供增强的性能特性。

具体数值方面,ADuM141ES在5 V运行时,最大传播延迟为13.5 ns,脉宽失真小于3 ns,共模瞬变抗扰度非常高,可以大于100 kV /微秒。同时,ADuM141ES 数据通道相互独立,可承受 400 V rms 的额定电压。该器件可在 1.8 V - 5 V 的电源电压下运行,并与较低电压系统兼容,从而实现跨隔离势垒的电压转换。

低功耗还体现在电流值上。150MBPS时,1侧供电电流为17mA,2侧供电电流为17.5mA,保证了数据传输速率,降低了功耗。

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输出光电隔离击穿_光电隔离器作用_安全隔离栅和光电隔离

(ADuM260N,阿迪)

四通道 ADuM141ES 的性能已经足够强大,让我们看看集成故障安全和 0 反向通道的强大 5.0 kVrms 六通道数字隔离器。

共模瞬变抗扰度 100 kV/μs,5V 时传播延迟 13 ns,1.8V 时低延迟 15 ns,最大数据速率 150 Mbps,VIORM 峰值 849 V 安全认证,1 分钟 5000 V rms UL 认证, 125℃高温工作环境,16脚宽体SOIC_IC封装。高工作电压、低辐射、低功耗、高效率在以上数据中得到了充分的体现。

东芝数字隔离器

东芝的数字隔离器主要使用光耦合器,因此其性能会弱于上述TI和ADI提供的高性能数字隔离器。

Toshiba 的 TLP350 是一种较新的数字隔离器产品,用作工业逆变器、UPS 和光伏发电功率调节器等各种逆变器中功率元件的栅极驱动 IC。该装置主要在可靠性方面有所提高,成本较低。

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(TLP350,东芝)

TLP350 可以通过抑制异常关断期间发生的浪涌电压上升来防止功率器件被击穿。当电源电压异常并检测到过电流时,将反馈故障信号。同时,过流检测的软关断功能使功率器件的关断更加柔和。这些改进都集中在可靠性和稳定性上。

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因为单纯从技术参数上看光电隔离器作用,光耦合器相对于其他类型有天然的劣势。这款产品的额定电流为2.5A,这无疑是一个不小的耗电负担。共模瞬变抑制为25kV/µs,对于光耦产品来说其实已经相当不错了。

Broadcom 数字隔离器

Broadcom 一直是光隔离器的领先供应商。高可靠性军用密封光耦合器、用于工业应用的电隔离光耦合器以及旨在满足汽车级应用的隔离和可靠性要求的光耦合器现已上市。

虽然是光耦合器专家,但其 ACML-74xx 系列 CMPS 数字隔离器通过厚绝缘层采用磁耦合,可在高数据速率下实现高速和高隔离性能以及低功耗。HCPL-90xx/-09xx 系列 CMOS 数字隔离器集成了巨磁阻 (GMR) 技术以实现高速性能和出色的瞬态抗扰度规格。

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(ACML-7400,博通)

ACML-74x0 系列 CMOS 数字隔离器功耗低,即使在高数据速率下也是如此,并在紧凑的表面贴装封装中实现瞬态抑制性能。这些 CMOS 数字隔离器符合 36ns 的最大传播延迟和 3ns 的最大脉冲宽度失真。它们还可以以 100 MBd 的数据速率运行。

在上图中的四通道ACML-7400 CMOS数字隔离器中,配置了一个单向器件,一个方向有四个通道,通常每个通道都在15mA的低功耗范围内。工作耐压极高,最大可承受800V rms。共模瞬态抑制能力也比较好,最低为25kV/µs,一般为50kV/µs。

概括

数字隔离技术是隔离发展的必然趋势,但国内数字隔离器行业仍是一个未开发的市场。下一期将聚焦国内数字隔离器厂商,看看他们如何助力国内市场摆脱进口依赖。