概述

本运用汇报阐述了快速数字电路设计中电子器件防护的重要性、执行及其特点，探讨了在一个隔离层上开展光、磁（电感器）和电气设备（电容器）数据信号传递的优势与劣势，并对 ISO72x 系列产品数据隔离器中采用的电容耦合技术性作了非常的要点论述。

1 前言

防护便是将一部分与其它一部分中的非理想化危害分离出来起来。在电子线路中，电解介质根据阻隔直流电源 (dc) 完成电源电路防护。那麼被防护的电源电路怎样在一个更高的电气控制系统中运作呢？这个问题的结果就是本运用汇报的主题风格。

伴随着德州仪器 (TI) 和别的经销商发布的商品数量持续提升，防护数据信号的传送选择项也随着提升，进而使设计方案工作人员在商品挑选上显得更为繁杂。本汇报论述了隔离器的关键特点，并表明了各设备中间的差异性和共同之处。

在对电源电路防护的重要性开展总结以后，大家对电解介质数据信号传递的三种方式及其仿真模拟对数据隔离器开展了探讨，并对每一种类数据隔离器的案例实现了叙述和比照。

2 电源电路防护的重要性

防护控制电路的首要因素是维护电源电路不会受到风险工作电压和交流电的毁坏。在图 1 的诊疗运用案例中，即便 是少量的 AC 电流量也是有很有可能导致严重的损害，因而必须选用一个隔离层来保障患者。防护还可对比较敏感电源电路开展维护，使其可免于遭受工业生产使用中产生的髙压毁坏。图 2 的工业生产案例仅为一个髙压测量方法。将感应器与具体髙压相防护促使对低电压电源电路的精确测量变成很有可能。

图 1、开关电源和患者中间有可能的电源电路通道

图 2、髙压和低电压电源电路中间的防护

维护工作原理是将高电压电位差 (potenTIal) 防护，其将会出現在各系统软件或电源电路中，如图所示 3 中的电缆线运用所显示，在其中的远距离能够将一个控制器和接收器防护。历经这般的远距离，接地装置很有可能处于不一样工作电压中。根据防护，在隔离器并非比较敏感电源电路中产生工作电压差。

图 3、机器设备相互间的接地装置工作电压差

如图所示 4 所显示，根据相对性于别的电源电路部件来讲的高特性阻抗，防护终断了由电源电路通道产生的环城路。根据终断该环城路，噪音工作电压发生在隔离层上，并非发生在接收器或更加比较敏感的模块上。噪音工作电压的上拉电阻能够由外界电流量或电压源（比如：电感器电机和雷电 (lightning)）藕合。

图 4、各防护终断连接点中间的接地装置环城路

3 电源电路隔离器

在容许根据电磁感应或光链接开展模仿或模拟信号传输数据的与此同时，电源电路隔离器阻拦了各电源电路中间的低頻电流量。数据隔离器传送二进制数据信号，仿真模拟隔离器则在隔离层上 传送持续数据信号。在模仿和数据隔离器中，工作中和最高值额定电流及其共模暂态抗绕度均为这类隔离层的关键特点。当想模拟信号开展防护时，防护控制电路的这种关键特点 为键入和輸出逻辑性工作电压脉冲信号、数据信号速度、数据信息运作长短及其全自动安全防护回应。

传统式上来讲，为考虑独特要求时，变电器、电力电容器或光电二极管晶体三极管及分立电路以键入和輸出讯号为标准。这类办法是合理的，但却不可以将其从一种运用转 挪到另一种运用中。虽然那样也许会维持仿真模拟隔离器的状况，但销售市场中早已发生了新一代数据隔离器，其应用自主创新电源电路在超出 100 Mbps 直流电源数据信号速度的标准下对规范模拟信号开展防护。这种通用性数据隔离器均具备其分别的优势与劣势。下列几个內容将对各种各样不一样技术性实现详细介绍，并将实际商品同 TI 发布的新式 ISO72x 产品系列开展比照。

3.1 光藕合技术性

光藕合技术性是在全透明绝缘层隔离层（比如：气体空隙）上的光传送，以做到防护目地。图 5 表明了一款数据隔离器的关键部件。该电流量控制器选用数据键入，并将数据信号变换为电流量来推动发光二极管 (LED)。輸出油压缓冲器将光电探测器的电流量輸出变换为一个数据輸出。

图 5、基本上光藕合体制

光藕合技术性的具体优势是，光具备对外界电子器件或电磁场本质的抗扰性，并且，光藕合技术性容许应用稳定信息内容传送。光耦合器的缺点关键表现在限速、功能损耗及其 LED 脆化上。

一个光耦合器的较大数据信号速度在于 LED 可以打开和关掉的速率。从当今可储存的设备看来，更快的光耦合器是 HCPL-0723，其能够做到 50 Mbps 的数据信号速度。

从键入到导出的电流量传送比 (CTR) 是光耦合器的一个关键特点，LED 一般会规定10mA 的键入电流量，以用以快速数字通信系统。这类比例对用以推动 LED 的工作电流和由光学晶体三极管造成的交流电开展调整。伴随着時间的变化，LED 越来越更加低效能，与此同时规定大量的电流量来造成同样级别的光亮度及其同样级别的光学晶体管输出电流量。在很多数据隔离器中，內部电源电路操纵 LED 工作电压，而且客户不能对慢慢下滑的 CTR 开展赔偿。LED 的优点变弱了，而且由于時间的变化隔离器不会再像之前那般高效了。

3.2 电感器藕合技术性

电感器藕合技术性应用2个电磁线圈中间的转变 电磁场在一个隔离层上实现通讯。最普遍的事例便是变电器，其电磁场尺寸在于主级和次级绕组的电感构造（线圈匝数/单位长度）、磁心的相对介电常数，及其电流量震幅。图 6 表明了一款具备数据信号调整电源电路板块的变电器。

图 6、电感器防护

电感器藕合技术性的特点是，很有可能出现的共模差别和差分信号传送特点。变电器的精心策划容许噪音和数据信号頻率重合，可是会展现出噪音高共模特性阻抗和数据信号低差分信号特性阻抗。另一个优势是，数据信号动能传送能够为近 100% 的高效率，进而使功耗低隔离器变成很有可能。

电感器藕合技术性的具体缺陷是对外界电磁场（噪音）的被磁化。工业生产运用一般规定电磁场防护，比如：电机操纵。数据变电器传送中另一个缺陷是数据信息运作长短。一个 信号分配器在某一頻率和震幅范畴内传送数据信号，而且其失帧能够接纳。必须数据信息运作长短限定或数字时钟编号来将该数据信号维持在可以用变电器网络带宽内。选用电感器藕合技术性的 通用性数据隔离器规定信号分析陪同传送低頻率数据信号（1 或 0 长标识符）的方式一同对模拟信号开展传递和再次搭建。NVE 企业/Avago（安华高）企业推行的 Isoloop™，及其 ADI（英国仿真模拟元器件企业）发布的 iCoupler™ 均采用了编号作用，并出示了适用从 DC 到 100 Mbps 运作范畴的数据防护解决方法。

ADuM1100 是 ADI 发布的 iCoupler™ 技术性的一个事例。ADuM1100 应用一个基本上的变电器来完成在一个隔离层上传送信息内容。这类 Isoloop™ 技术性（比如：HCPL-0900）应用一个如图所示 7 所显示的电阻互联网来更换初级线圈。该电阻由GMR（巨磁电阻）原材料构成，那样当电磁场充分发挥时该电阻器会产生变化。电源电路磁感应电阻器的转变，并考虑其标准，以 用以輸出。这类工艺被初次引进销售市场时就进一步地增强了 AC 特性，超出了目前光耦合器的特性。如今，伴随着 ADI 近期发布了大量的数据隔离器及其 TI ISO72x 系列产品元器件的发布，这种 Isoloop™ 元器件的功能早已被超过。

图 7、GMR 框架图

3.3 电容耦合技术性

电容耦合技术性是在隔离层上选用一个持续变动的静电场传送信息内容。各电力电容器极片中间的原材料是一个电解介质隔离器，并产生隔离层。该极片规格、极片中间的间距和电解介质原材料等都影响着电气设备特性。

图 8、电容耦合

应用一个电容器隔离层的益处是，在规格尺寸的大小和动能传送领域的效率高，及其对电磁场的抗绕度。前面一种使功耗低和成本低集成化防护电源电路变成很有可能；而后面一种使在饱和状态或密度高的电磁场自然环境下运作成为了很有可能。

电容耦合技术性的不足之处是其沒有音频信号和噪音，而且数据信号同用一样的传送安全通道，这一点与电力变压器不一样。这就规定数据信号頻率要大大的高过噪音预估頻率，那样隔离层电容器就展现出数据信号的低特性阻抗，及其噪音的高特性阻抗。应用了电感器藕合之后，电容耦合就不可以传送平稳情况数据信号，并必须数字时钟编码数据。

3.3.1 TI 发布的 ISO721

TI 发布的 ISO72x 系列产品隔离器选用电容耦合技术性。电容耦合解决方法选用业经认证的、成本低生产加工加工工艺，并对电磁场具备自身的抗绕度。

为了更好地给予稳定信息内容的传送，ISO72x 应用一个高数据信号速度和低数据信号速度安全通道来开展通讯，如图所示 9 所显示。高数据信号速度安全通道未被编号，而且其在一个单端到差分信号变换以后的隔离层上传送数据。该低数据信号速度安全通道以一种脉冲宽度调制文件格式对信息完成编号，并在隔离层算差 分传送数据，进而保障了稳定情况的精准通讯（1 和 0 的长标识符）。

单端逻辑性数据信号在隔离层上的差分信号传送容许应用低电频数据信号和小滤波电容。这就展现出对共模噪音的高特性阻抗，而且，根据接收器的共模噪音抑止，产生了出色的暂态抗绕度，也即数据信号电容耦合必须处理的首要难题。

图 9、ISO72x 与 ISO72xM 的框架图

3.4 防护特性

三个关键规范认证了针对防护维护的重要性，其分別为 UL 1577、IEC 60747-5-2 和 CSA。尽管每一种规范都稍有不一样，可是均给予了一个比照防护特性的规范。IEC、UL 和 CSA 的检测证明了键入和輸出中间电介质击穿之外的工作电压。应用这种规范比较简单，由于检测规范和隔离方法不相干。图 10 表明了防护检测是如何把隔离器当作是两边元器件的。虽然每一种元器件的物理化学构造存有差别，但防护检测则是在电解介质击穿电压上测量的。

图 10、两边防护工作电压检测

UL 1577、IEC 60747-5-2、IEC 61010-1 和 CSA 检测了 ISO72x 系列产品防护特性。表 1 表明了表明该三种隔离技术的这五个元器件的防护特性。

表 1 防护特性

元器件 所运用的技术性 UL 1577 (VRMS) IEC 60747-5-2，
VIORM (V 最高值) ISO721 电容器防护 2500 560 ADuM1100 电容器防护 2500 560 HCPL-0900 电容器防护 2500 未审核 (1) HCPL-0721
HCPL-0723 光防护 3750 560

（1） 在刊发出版发行的情况下，HCPL-0900 的产品手册还不包含 IEC 60747-5-2。

全部这三个检测，即 UL、CSA 和 IEC，均对隔离层的产品质量做好了检测。UL 和 CSA 检测均为抗压强度测试，其应用由生产商设定的要求時间对电解介质击穿电压开展检测。在该检测期内，电解介质的穿透便是发生的一个常见故障。IEC 检测应用一种被称作局放的情况来检测电解介质内的失效 (void)。一个大工作电压被运用于该元器件中，其是由生产商界定的工作标准电压的一个涵数，随后被减少至另一个工作电压脉冲信号，即 Vm。在该低电压运用中，对被检测元器件开展电解介质内的失效局放监管。这种失效会造成 全部电解介质的最后穿透。

3.5 暂态抗绕度

高转化率（高频）暂态能够毁坏一个隔离层上的传输数据。该隔离层电容器给予了一个如图所示 11 所显示的安全通道，使暂态事情越过隔离层，并毁坏輸出波型。一个电磁感应定律屏蔽掉能够使这类在光耦合器或电感器光纤耦合器中的位移电流的一部分避开关键的輸出构造。

图 11、隔离层电容器

在电容耦合解决方法中，电磁感应定律屏蔽掉并不是是一种行得通的解决方法。除开暂态之外，电磁感应定律屏蔽掉还会继续堵塞用以传输数据的静电场。为了更好地给予暂态抗扰 度，ISO72x 系列产品电容器隔离器只传送 fo 数据信号（数据信号中仅代表最大頻率动能的信号）。那样就容许有一个噪音頻率高抗阻的小滤波电容。别的噪音则来源于在隔离层上传送数据的差分信号技术性。图 9 表明了越过电容器隔离层的四个数据信号；2个包括低数据信号速度信息内容，此外2个包括高数据信号速度信息内容。根据应用差分信号技术性，能够在真实的和赔偿数据信号中见到一切越过隔离层 sm的剩下共模暂态，并且差分信号接收器对其完成了抑止。如表 2 所显示，ISO72x 系列产品的暂态抗绕度和全部具对比性的达到 25 kV/ 的元器件一样高。

表 2 暂态抗绕度特性

元器件 所运用的技术性 s)m暂态抗绕度 (kV/ ISO721 电容器暂态抗绕度 25 ADuM1100 电容器暂态抗绕度 25 HCPL-0900 电容器暂态抗绕度 15 HCPL-0721
HCPL-0723 光暂态抗绕度 10

3.6 全自动安全防护

手机充电线电源电路和数据隔离器必须特别注意的一点便是键入数据信号耗损的输入输出情况。键入耗损很有可能出現在电缆线断掉或同时从隔离器键入端除去开关电源。全自动安全防护就是指在键入 耗损情况下一个关键性的或给定的输入输出情况。ISO72x 之后沒有读取到一个单脉冲，那麼该輸出被设定为一个高情况。 sm系列应用一个周期时间单脉冲来明确键入构造是不是有电，而且是不是已经工作中。假如隔离器的輸出端在4 ADI 发布的 ADum1100 也在 IC 的导出一部分集成化了一个全自动安全防护电源电路。安华高科技发布的光解决方法（HCPL-0721 及–0723）沒有谈及全自动安全防护，而电感器 GMR 解决方法（HCPL-0900）确立地形容了在开关电源排列期内輸出的可变性质。

3.7 功能损耗

除开隔离层上数据信号传递的高效率以外，键入和輸出调整控制电路的设计方案同功能损耗的关联性较大。如表 3 所显示，与电感器或电容器案例对比，光耦合器的耗电量会高些。

表 3 静态数据开关电源电流量

元器件 所运用的藕合技术性 Vcc1 和 Vcc2 (V) Icc1 (mA) Icc2 (mA) 功能损耗 (mW) ISO721 电容耦合 5 1 11 60 3.3 0.5 6 21.5 ADuM1100 磁藕合 5 0.8 0.06 4.3 3.3 0.3 0.04 1.2 HCPL-0900 磁藕合 5 0.018 6 30 3.3 0.01 4 13.2 HCPL-0721 光藕合 仅为 5 10 (1) 9 95 HCPL-0723 光藕合 仅为 5 10 (1) 17.5 (2) 137.5

（1） 10 mA 为逻辑性低键入情况。当该逻辑性键入情况为高时，电流量耗费降低至 3mA。
（2） 17.5 mA 为逻辑性低键入情况。当该逻辑性键入情况为高时，电流量耗费降低至 16.5 mA。

3.8 稳定性

常见故障前均值上班时间 (MTTF) 是半导体行业稳定性的规范测量法。针对数据隔离器来讲，这类精确测量表明集成电路芯片和防护体制的稳定性。表 4 表明了一款光、电感器和电容器数据隔离器的 MTTF。与电感器及光解决方法对比，ISO721 十分靠谱。

表 4 MTTF 稳定性精确测量

典型值，60% 自信心 典型值，90% 自信心 元器件 所运用的
藕合技术性 自然环境温
度 (℃) MTTF
（钟头/常见故障） FIT
（常见故障/109 钟头） MTTF
（钟头/常见故障） FIT
（常见故障/109 钟头） ISO721 电容耦合 125 1,246,889 802 504,408 1983 HCPL-0900 电容耦合 125 288,118 3471 114,654 8722 HCPL-0721 光藕合 125 174,617 5727 69,487 14,391

ADuM1100 稳定性数据分析表沒有清晰地表明 MTTF，可是其给予了可靠性检测的結果。表 5 表明了 ISO721 和 ADuM1100 可靠性检测的主要参数。

表 5 初始稳定性数据信息

元器件 所运用的
藕合技术性 结温 (℃) 时间 （钟头） 样版总数 不符合
格品 ISO721 电容耦合 150 < Tj < 175 1000 344（3 次取样：116,116,112） 0 ADuM1100 电容耦合 150 < Tj < 175 500 231（从 3 次取样中取 77） 0

3.9 外界电磁场抗绕度

图 12 比照了 ADuM1100 和 ISO72x（沒有寻找 HCPL-0900 的数据信息）的电磁场抗绕度。相对而言虽然这两个案例均对电磁场有一定的抗绕度，可是 ISO72x 给予了很大的裕量。如前边上述，光藕合隔离层电源电路对外界电磁场具备自身的被磁化抗绕度。

图 12、对外界电磁场的敏感性

4 结果

噪音减少和噪音维护促使隔离器在这些隔离器终断接地装置环城路并将接地装置工作电压差防护的电子线路中获得普遍应用。设计方案工作人员如今有着很多用于开展模拟信号防护的 挑选，包含 TI 发布的 ISO72x 系列产品，其在数据信号速度、电解介质击穿电压、暂态抗绕度、功能损耗、电磁场抗绕度及其安全性等主要特点层面均表現不错。表 6 对本报告书中所探讨案例的这种特点完成了汇总。

表 6 不一样数据隔离器的主要参数

元器件 所运用的技术性 Vcc (V) 数据信号
速度 (Mbps) UL1577 (VRMS) s)m暂态抗绕度 (kV/ 功能损耗 (mW) 电磁场抗绕度 稳定性 (MTTF)，60% 自信心（钟头/常见故障） ISO721 电容耦合 3.3 或 5 150 2500 25 60 1.25M ADuM1100 电感器藕合 5 100 2500 25 4.3 3.3 50 2500 25 1.2 HCPL-0900 电感器藕合 5 100 2500 15 30 288k 3.3 100 2500 15 13.2 288k HCPL-0721 光藕合 5 25 3750 10 95 175k HCPL-0723 光藕合 5 50 3750 10 137.5

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