工程师分享:正确选择数字隔离器的三要素
发布日期：2014-04-30 浏览次数 ：25394
多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限，合理的选择是光耦合器。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：缘材料、结构和数据传输方法。
设计人员之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。
传统隔离器——光耦合器则会带来非常大的不利影响。它们的功耗高，而且数据速率低于1Mbps。虽然存在更率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。
数字隔离器问世于10多年前，目的是降低光耦合器相关的不利影响。数字隔离器采用基于CMOS的电路，能够显著节省成本和功耗，同时大大提高数据速率。数字隔离器由上述要素界定。缘材料决定其固有的隔离能力，所选材料必须符合安全标准。结构和数据传输方法的选择应以克服上述不利影响为目的。所有三个要素必须互相配合以平衡设计目标，但有一个目标必须不折不扣地实现，那就是符合安全法规。
数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造，仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化，导致可制造性变差且成本提高。常用的缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的缘特性，并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础，作为高压缘体具有悠久的历史。
安全标准通常规定1分钟耐压额定值(典型值2.5kVrms至5kVrms)和工作电压(典型值125Vrms至400Vrms)。某些标准也会规定更短的持续时间、更高的电压(如10kV峰值并持续50μs)作为增强缘认证的一部分要求。基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提供的隔离特性，如表1所示。
正确选择数字隔离器的三要素
基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器相似，在典型工作电压时寿命更长。基于SiO2的隔离器对浪涌的防护能力相对较弱，不能用于医疗和其他应用。
各种薄膜的固有应力也不相同。聚酰亚胺薄膜的应力低于SiO2薄膜，可以根据需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔离能力也会受限；超过15μm时，应力可能会导致晶圆在加工过程中开裂，或者在使用期间分层。基于聚酰亚胺的数字隔离器可以使用厚达26μm的隔离层。
推荐行情