工程師分享:正確選擇數(shù)字隔離器的三要素
發(fā)布日期：2014-04-30 瀏覽次數(shù) ：25932
多年來，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)安全隔離的手段有限，合理的選擇是光耦合器。如今，數(shù)字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有。了解數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵要素的特點(diǎn)及其相互關(guān)系，對于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個(gè)要素是：緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。
設(shè)計(jì)人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在盡可能減小不利影響的同時(shí)滿足安全要求。
傳統(tǒng)隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響。它們的功耗高，而且數(shù)據(jù)速率低于1Mbps。雖然存在更率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。
數(shù)字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關(guān)的不利影響。數(shù)字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節(jié)省成本和功耗，同時(shí)大大提高數(shù)據(jù)速率。數(shù)字隔離器由上述要素界定。緣材料決定其固有的隔離能力，所選材料必須符合安全標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法的選擇應(yīng)以克服上述不利影響為目的。所有三個(gè)要素必須互相配合以平衡設(shè)計(jì)目標(biāo)，但有一個(gè)目標(biāo)必須不折不扣地實(shí)現(xiàn)，那就是符合安全法規(guī)。
數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標(biāo)準(zhǔn)材料會使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)致可制造性變差且成本提高。常用的緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的緣特性，并且已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ)，作為高壓緣體具有悠久的歷史。
安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5kVrms至5kVrms)和工作電壓(典型值125Vrms至400Vrms)。某些標(biāo)準(zhǔn)也會規(guī)定更短的持續(xù)時(shí)間、更高的電壓(如10kV峰值并持續(xù)50μs)作為增強(qiáng)緣認(rèn)證的一部分要求。基于聚合物/聚酰亞胺的隔離器可提供的隔離特性，如表1所示。
正確選擇數(shù)字隔離器的三要素
基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時(shí)壽命更長。基于SiO2的隔離器對浪涌的防護(hù)能力相對較弱，不能用于醫(yī)療和其他應(yīng)用。
各種薄膜的固有應(yīng)力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力低于SiO2薄膜，可以根據(jù)需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限；超過15μm時(shí)，應(yīng)力可能會導(dǎo)致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層。基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器可以使用厚達(dá)26μm的隔離層。
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