ISOpro型 RF射頻隔離器取代工業應用中的光電耦合器
簡介
本白皮書的中心重點是設計能夠經受嚴格的工業環境的隔離電路。工業電子設備通常使用高壓隔離器來保護系統和用戶免受潛在危險電壓的傷害。眾所周知工業設備必須能夠在較嚴苛的環境中可靠地運行，這些較嚴苛的環境包括正常標準的強電磁場、電涌、快速暫態、以及高背景噪聲。對于為實現設備長期正常運轉而設計可靠的隔離電路而言，該環境提出了挑戰。
在過去的四十年，光電耦合器一直是“默認”的信號隔離設備，但較近在硅基隔離技術上取得突破，可大量生產更小、更快、更可靠和更劃算的設備，這些設備已經在許多終端應用中開始取代光電耦合器。在目前市場上具有競爭力的硅基隔離器中，Silicon Labs公司的ISOpro型系列隔離器是較先進的隔離器，它可提供同類較佳的定時性能、電磁干擾（EMI）和外部場抗擾度、功耗、尺寸以及成本。本白皮書探討工業隔離問題和方法，可應用RF射頻隔離技術，以便提高系統的穩健性和性能。
RF射頻隔離器和光電耦合器的基本原理
圖1顯示說明一個光電耦合器和ISOpro型隔離器的頂級方框圖。如圖1a中所示，該光電耦合器是一個帶有一個發光二極管（LED）的混合部件，當發生正向偏壓時，該發光二極管（LED）會發光，其亮度與發光二極管（LED）的正向電流成正比。所發射出的亮光穿過一層光學透明的絕緣薄膜（或者絕緣體），照在一臺光電檢測器上，同時產生一股電流，偏流打開輸出晶體管。當發光二極管（LED）的正向電流沒有電流時，光發射停止，同時輸出晶體管關閉。
圖1光電耦合器與ISOpro型隔離器的基本運行原理
除使用一個RF射頻載波代替光載波以外（圖1b），ISOpro型隔離器的基本運行原理與光電耦合器的基本運行原理是相似的。ISOpro型隔離器是在一塊標準IC封裝基板中，由兩個連接在一起地相同的半導體芯片組成，這塊標準IC封裝基板由一個RF射頻傳輸器和接收器組成，該RF射頻傳輸器和接收器被一個差動電容式隔離隔柵分隔。使用基本的on/off按鍵（OOK），將數據從輸入端傳送到輸出端。當輸入電壓（VIN）是高電壓時，傳輸器產生一個RF射頻載波，穿過隔離隔柵，傳送到接收器。當接收器檢測到足夠的同頻帶信號傳輸載波能量時，該接收器判斷提示在輸出電壓（VOUT）上是邏輯值1。當輸入電壓（VIN）是低電壓時，傳輸器被關閉，同時沒有提供載波。因此，接收器不能檢測到同頻帶信號傳輸載波能量，同時該接收器判斷提示在輸出電壓（VOUT）上是邏輯低值。
設備建造
雖然ISOpro型隔離器與光電耦合器兩者的基本運行原理是相似的，但是兩者的物理實現是完全不同的。圖2a中顯示一個單道光電耦合器的X射線視圖。該光電耦合器的混合建造把發光二極管和輸出芯片連接到一個縱向分裂的引線框上。這兩個芯片被一道包含一個透明絕緣護盾的物理間隙分離開，該透明絕緣護盾本是降低無源輸入/輸出耦合電容。該光電耦合器的隔離擊穿電壓基本上由封裝塑料模具的復合物決定。注意光電耦合器的成本和集成度直接地隨通道數而增加，制造更高通道數的光電耦合器比制造其單片硅基光電耦合器更加難以實現。
圖2a光電耦合器部件的X射線視圖 圖2b未封裝的6通道ISOpro型隔離器
圖2b中顯示ISOpro型6通道數字隔離器的未封裝視圖。全部使用標準的互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝技術和標準的IC封裝工藝技術。每塊芯片包含六個完整的隔離器通道，其中每個通道由一個傳輸器電路、差動線圈式隔離器隔柵電路和接收器電路組成。當連接兩塊芯片時，每塊芯片的電容式隔離隔柵與另一個進行串聯，使該通道的擊穿電壓加倍，以便提供更大的安全系數。
不同于光電耦合器，每個ISOpro型通道只占用較小的芯片區域，使制造劃算、高通道數的隔離器成為可能。另外，單片半導體工藝技術能夠使ISOpro型技術與其它的半導體功能和工藝相結合，以便創造出具有內置隔離功能的高集成度的產品，諸如：隔離模擬數據轉換器和通信收發器。這些集成優點使ISOpro型產品比光電耦合器具有更寬廣、更全面的產品路線圖。
工藝技術
在制造ISOpro型隔離器中所使用的互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝技術是普遍使用的技術，事實上該技術可從所有主流的半導體生產廠中獲得。互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術被用于數字產品中，諸如：微處理器、微控制器以及靜態隨機存取存儲器（RAM）、同時它也被用于模擬產品中，諸如：圖像傳感器、模擬數據轉換器以及集成通信收發器。互補金屬氧化物半導體（CMOS）以其著名的低靜態功耗、高可靠性和經濟性被應用于高噪聲抗擾度。在過去的幾十年中，互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝幾何尺寸一直再持續地減小，能夠制造具有增加功能性的性能的新產品，同時降低成本和功耗。相結合的電子工業的技術學習和互補金屬氧化物半導體（CMOS）的產品生產已經遠遠超過光電耦合器中所使用的基于GaAs技術的技術學習和產品生產。
圖3 ISOpro隔離通道方框圖（芯片頂視圖）
信號路徑
上述圖3中圖示了ISOpro型隔離器的差動線圈式電容隔離信號路徑。隔離電容器板被安裝在頂層上，并且被埋入金屬層中，同時標準工藝氧化物被放置于提供絕緣功能、更低層的電容器板之間。主動支持電路，諸如：傳輸器和接收器，被定位在相同的芯片上，但其應該遠離隔離電容。對于較大的共模抑制而言，信號隔離路徑從傳輸器到接收器完全是差動線圈式。如圖4中所示，接收器的主動差動增益引發它，使其僅能夠識別它的V+和V-輸入信號之間的差別。任何共模電壓，諸如：RF射頻干擾或者共模暫態，都可出現在V+和V-輸入信號上，同時如圖4中所示，在差動輸入時，可取消任何共模電壓。
圖4 ISOpro差動線圈式單隔離路徑的單通道示意圖
系統注意事項
不管如何安裝啟動，隔離器必須符合針對強電隔離的安全標準。它們也必須足夠可靠，比其被安裝的設備使用得更長久，在工業界這可能意味著數十年的使用壽命。設計人員必須確保隔離電路可以承受引發物理損壞的電氣應力，同時可抗防損壞數據的任何源點噪聲。因此，設計人員必須仔細地考慮關鍵隔離器的操作運行參數，諸如：共模暫態抗擾度、關鍵定時參數，諸如：傳輸延遲和脈沖寬度失真、以及與電磁場相關的規格，諸如EMI和RF射頻磁化系數。持續工作電壓和故障前平均工作時間（MTTF）也是設備使用壽命的重要指標。
高壓絕緣可靠性
絕緣可靠性直接地影響隔離器保護和防止用戶暴露于高電壓的能力，并且絕緣可靠性也是極為重要的性能。絕緣器是隔離格柵的“心臟”，同時也是維護系統安全的關鍵部件。絕緣性能應該是始終如一的，沒有引發一次局部擊穿的真空，這是極其重要的一點。隔離器的一致性也是隔離器材料和制造工藝的一項功能。
由于在制造期間所創建的真空，光電耦合器的注模塑料復合物的絕緣強度可變化高達300%。與此相反，ISOpro型隔離器為其主絕緣器使用半導體氧化層。互補金屬氧化物半導體（CMOS）氧化物沉積工藝被極其嚴格的控制、并且具有高度的一致性、而且絕緣強度中的結果變化率僅為20%。每層氧化層每微米（一米的百萬分之一米）具有500VACRMS的擊穿電壓。在芯片制造期間，通過簡單地堆疊氧化層來施加更高電壓（例如：5KVACRMS）。與光電耦合器相比，實質上在一塊較小的尺寸中，其結果是一個更高的絕對較大擊穿電壓，并且絕緣器的可靠性是獨立于封裝工藝之外。
圖5 ISOpro型隔離器和光電耦合器的故障前平均工作時間
在圖5中將ISOpro型隔離器和光電耦合器的故障前平均工作時間進行比較。在相同的設備上和相同的條件下，測試ISOpro型隔離器和光電耦合器。如圖5中所示，在25℃時，針對一個擊穿電壓為2.5KVACRMS、6通道的ISOpro型隔離器，施加500VDC直流電，所推算的故障前平均工作時間趨向于1×108年。
安全認證
國際安全標準提供測試方案和指南，確保終端設備安全，使其免受電擊、機械損壞、以及火災和電磁干擾。在表1中，按照地理區域匯總了針對光電耦合器和其它類型隔離器（包括ISOpro型隔離器）的部件級國際安全標準。
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德國 |
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