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如何成为出色的模拟工程师数字隔离与模拟隔

2018-12-06 21:44:38

如何成为出色的模拟工程师:数字隔离与模拟隔离

工业电路设计的工程师都要用隔离技术来解决安全问题、法规监管,以及接地层问题。如果您的电路中做了隔离,就可以在两个点之间交换信息和功率,而不会有实际的电流流动。隔离有两大好处。首先,它能防止人员和设备遭受到有潜在危险的浪涌电流和电压。其次,它可以防止意外的接地回路,从数据链路和其它互连对信号造成干扰。电子发烧友根据几种常见的隔离技术做了详细和说明。 数字隔离技术介绍 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优势。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:绝缘材料、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,功耗极高,而且数据速率低于1 Mbps。虽然存在更高效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,能够显着节省成本和功耗,同时大大提高数据速率。数字隔离器由上述要素界定。绝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。 绝缘材料 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。常用的绝缘材料包括聚合物(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绝缘特性,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,作为高压绝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2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(典型值125 V rms至400 V rms)。某些标准也会规定更短的持续时间、更高的电压(如10 kV峰值并持续50 s)作为增强绝缘认证的一部分要求。基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提高的隔离特性,如表1所示。 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15 m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26 m的隔离层。

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