1.2 What is a digital isolator

[音乐播放] 大家好，欢迎观看 TI高精度实验室视频。 TI 的高精度实验室视频节目 是面向工程师的综合在线课程。 这段视频将介绍有关 数字隔离器的基本问题。 如需查看更多视频和主题， 请访问 ti.com/precisionlabs。 什么是数字隔离器？ 电隔离是在存在高压事件时 与人或其他电路相连的 所有电子器件的 必要保护形式。 在确保人身安全甚至电子保护的情况下， 高压事件的电压范围可能从几十伏 到几千伏。 在过去的几十年中，用于隔离电路的 技术已经从基于光学的 光耦合器发展到了基于硅的技术， 其中，数字隔离器是越来越多 设计人员的首选。 本视频将主要讨论 基于电容的数字隔离器。 有关隔离技术的一般介绍 可以在名为“什么是电隔离”的 高精度实验室主题中找到。 本高精度实验室主题将回答以下问题。 什么是数字隔离器？ 电容数字隔离器是如何构建的？ 基于边沿的数字隔离器如何工作？ 开关键控 (OOK) 数字隔离器如何工作？ 哪种数字隔离器架构 最适合我的设计？ 让我们开始吧。 什么是数字隔离器？ 数字隔离器是用于隔离 数字信号并跨隔离栅 传输数字通信的集成器件。 由于数字隔离器使用经过 预先数字化处理的数据流，因此它们 通常跟随在一个系统中的 ADC 之后， 这个系统在不同电源电平的 微处理器和 FPGA 之间， 或者在具有共享背板的 接口通信板之间。 在此示例中，数字隔离器 在 4 至 20 毫安的环路中保护 MCU 数据线路免受输出数模转换器的影响。 在查看此处所示的用例时， 很明显可以看出，在使用 数字隔离器时，也需要隔离式电源。 如需了解关于隔离器电源设计的更多 详细信息，请参阅高精度实验室视频， 标题为“如何为数字隔离器设计隔离式 电源”。 现在，我们深入了解一下数字隔离器。 数字隔离器如何工作？ 这里显示了一个典型数字隔离器的引脚图。 它包含两个隔离式电源 VCC1 和 VCC2，两个接地端 GND1 和 GND2，还有两侧 以各自接地端为基准的输入和输出引脚。 输入信号通过发送 IC 进行调制，然后通过高压电容隔离层 并跨越接合线到达接收侧 IC。 理想情况下，施加输入信号时， 数字输入和输出是相同的。 正如前面提到的，数字隔离器 最常与采用独立接地端的隔离式电源 一起使用，这对于 防止电源的接地干扰和噪声电流 也很有用。 数字隔离器使用 CMOS 或TTL 逻辑开关技术， 并具有指定的高电平或低电平默认输出状态， 可以在数据表的器件功能模式部分 找到这些状态，如此处所示。 如表中所示，如果输入断开 或 BCC1 断开，则输出 将转换为逻辑状态高电平。 这一行为称为失效防护高电平。 另一方面，某些器件在断开状态下会变成低电平， 称为失效防护低电平。 定义此行为是为了防止 在电源中断或电压不足的情况下出现 错误代码。 两个电源VCC1 和 VCC2 的 数字隔离器的逻辑电平范围都可以 在 1.8 至 5.5 伏之间，但有些器件可能支持更大的 电源范围。 由于隔离器基于两个独立的内部 IC， 因此可以在数字隔离器的每一侧 使用两个不同的电源电压。 现在我们已经大致了解了 数字隔离器在功能级的工作方式， 我们接下来将讨论数字隔离器的内部结构 和架构。 电容数字隔离器是如何构建的？ 电容数字隔离器使用基于 CMOS 技术的 硅基电介质，包含两个独立的 集成电路 (IC) 芯片： 一个输入电路和一个输出电路， 通过接合线和高质量、 耐高压的模塑化合物相连。 这里显示了数字隔离器的横截面和 X 射线。 数字隔离器电路的绝缘体 可以是单个或两个二氧化硅电容隔离层， 根据设计可以承受极高的 电压。 基于电容的隔离器 由半导体行业中最高电介质强度的 材料制成，并在受严格控制的 清洁室晶圆厂中进行制造， 从而使零部件之间的差异最小。 由于严格控制的制造环境 和二氧化硅电介质的质量， 影响隔离性能的关键因素 主要是技术本身和设计架构。 电容隔离器通常采用两种主要的 调制架构： 开关键控 (OOK)或基于边沿的架构。 这两个名称都描述了用于触发输出更改的 时序方案。 基于边沿的隔离器如何工作？ 对于基于边沿的数字隔离器， 如此处所示的隔离器，数据传输 由指定持续时间的输入脉冲进行启动。 I/O 通道包含两个内部数据通道： 一个高频通道，带宽从 100 千比特/秒 到 25 兆比特/秒，以及一个低频通道， 涵盖 100 千比特/秒到直流的 范围。 进入高频通道的单端输入信号 通过输入端的反相器门 分解为差分信号。 然后，电容器电阻网络将信号分化为 瞬态脉冲，而高频通道 比较器输出端的判定逻辑 将测量信号瞬态之间的持续时间。 如果两个连续瞬态之间的 持续时间超过特定的时间限制， 例如在低频信号的情况下，则判定逻辑 会强制输出多路复用器从高频通道切换到低频通道。 低频信号通过内部振荡器的 载波频率进行脉宽调制， 从而产生能够通过电容隔离层的 高频信号。 振荡器用于设置直流 PWM 通道的 时标，使用的时基通常为 数十纳秒。 然后会以高于振荡器频率的 可能最小的数据包对 PWM 通信进行 数据包处理。 根据设计，基于边沿的隔离器 可以使该振荡器频率不会反映在 输出频谱中。 在对输入进行调制时，需要使用一个低通滤波器 消除实际数据中的高频载波， 然后再将其传递到输出多路复用器 和输出引脚上， 从而重建数字输入信号的 电隔离版本。 开关键控数字隔离器如何工作？ 在开关键控OOK 架构中， 将使用内部扩频振荡器时钟 对输入的数字比特流进行调制， 这个时钟的工作频率 超出器件可用的数据速率范围。 该时钟频率用于生成 OOK 信令， 以使输入状态之一通过 传输载波频率来表示， 而另一状态不通过传输表示。 经过调制的此信号将耦合到隔离栅， 并以衰减的形式出现在接收侧， 该接收侧包含用于放大输入信号的前置放大器 以及包络检波器。 该器件可用作解调器以重新生成 原始数字模式。 发送和接收信号调节电路 用于改善通道的共模抑制， 从而产生更好的共模瞬态抗扰度， 即 CMTI。 哪种架构最适合我的设计？ 基于边沿的调制方案的主要优点之一 是比 OOK 架构的功耗更低。 这是因为基于边沿的调制隔离器 仅在数据转换或边沿期间 跨隔离栅传递信号。 因此，这种架构的功耗大大低于 OOK 架构，OOK 架构会持续采样， 并跨屏蔽层传输经过调制的输入。 由于这种连续性的传输， 与基于 PWM 边沿的架构相比， OOK 架构所需的功率要大得多。 这些架构是否有特定的 挑战和优势？ 的确，有一些权衡因素。 对于基于边沿的架构，一旦启动 数据信号，就不会再对输入和输出状态 进行采样。 这确实会在电压不足或 数据信号故障的情况下产生出错风险， 因此需要集成的刷新电路 来减轻这些条件下的出错风险， 以便在输出端强化输入状态。 对于 OOK 方案，在电源或输入信号 意外变化的情况下对输入进行连续采样 将不会在输出端显示任何错误。 尽管基于边沿的架构 由于其采样方案而具有特定的功耗优势， 但在前面提到过，信号调节电路 和开关键控调制方案 具有固有的噪声和瞬态响应优势， 同时 CMTI会高得多， 数据速率也更高。 那么，哪种电容数字隔离器拓扑 真正适合您的设计？ 在考虑每种架构时，除了关键的 隔离规格外，请记住要考虑 功耗与数据速率、最高可能的 共模抗扰度以及错误条件管理 等其他重要的设计注意事项， 以便帮助您确定最适合自己的方案。 数字隔离器的介绍到此结束。 我们讨论了数字隔离器 用于跨隔离栅传递数字信号， 并且需要隔离式电源和接地。 电容隔离是使用硅电介质实现的， 这种材料是业界电介质强度最高的 绝缘材料。 电容数字隔离器有两种主要架构： 基于边沿的架构或 OOK 架构。 基于边沿和基于 OOK 的电容数字隔离器设计 之间的主要区别包括输出状态： 基于边沿和基于 OOK 的数字隔离解决方案 均具有器件数据表中预定义的 默认输出高电平和低电平状态。 还包括数据传输：基于边沿的解决方案 在指定长度的输入脉冲之后 跨隔离栅传输数据流， 使用输入流的边沿构建输出流。 而基于 OOK 的解决方案，也就是 开关键控解决方案，通过高频载波 跨隔离栅传输数据流， 因此改善了噪声和 CMTI 性能。 最后一个区别是功耗。 基于边沿的架构具有更低的功耗和更低的数据速率， 而 OOK 架构具有更高的功耗和更高的数据速率。 高精度实验室主题“什么是数字隔离器” 到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成在线测验以测试所学到的知识。 问题 1. 哪种绝缘材料具有最高的 电介质强度？ 模塑化合物、聚酰亚胺、空气还是二氧化硅？ 二氧化硅具有最高的电介质强度， 约为每微米 500 伏。 最常用的数字隔离器技术 是光学和电感、电容和光学 或电容和电感。 电容和电感拓扑 是最常用于数字隔离的拓扑。 对或错-- 数字隔离器可以在两个不同的 VCC1 和 VCC2 电源电压下工作。 对。 VCC1 和 VCC2 可以采用不同的电压值运行， 并且仍然保持数据表中的性能。 在基于边沿的数字架构和开关键控 数字架构之间需要考虑的三个 关键权衡因素是什么？ 基于边沿的架构和电容架构之间 最常见的权衡因素是 数据速率、功耗和噪声抑制。 TI 高精度实验室主题“什么是数字隔离器？” 到此结束。 谢谢观看。 请访问 www.ti.com/precisionlabs，浏览更多主题。