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在電子元件領域，很少有創新能像數字隔離器那樣產生如此深遠影響，這些專用組件徹底改變了數字電路內信號傳輸和保護的方式，顯著提高了各行業電子設備的性能和可靠性。讓我們深入了解下數字隔離器的基本原理、探索其重要性及其應用吧！
數字隔離器工作原理
數字隔離器系列產品采用全差分隔離電容技術。由 SiO2構成的高壓隔離電容為不同的電壓域之間提供可靠的絕緣屏障，并提供可靠的高頻信號傳輸路徑。為保證穩定的數據傳輸質量，引入開關鍵控(OOK)調制解調技術。圖1為一款數字電容隔離器（DCI）的內部功能示意圖。該隔離器輸入分為兩個差分信號路徑：上半部分為低速通道——DC-通道，下半部分為高速通道——AC-通道。AC-通道傳輸介于100 kbps和100 Mbps之間的信號，而DC-通道則涵蓋了從100kbps以下的范圍。
圖1 數字電容隔離器示意圖
圖2左側顯示了一個單通道、電容隔離器的內部簡化結構圖。從內部來看，隔離器由兩個部分組成：發送器和接收機。實際隔離層由接收機芯片上的高壓電容器提供。由于AC-通道和DC-通道均使用同一種差分信號技術抑制數據傳輸期間的高噪聲，因此必需要有4個隔離電容器來形成一條單隔離數據通道。
圖2 單通道電容隔離器的內部結構
圖2右側為一個高壓電容器的橫截面示意圖。從發送器芯片出來的接合線連接到接收機端電容器鋁頂板，底板（也為鋁質）連接到接收機邏輯。板之間是夾層電介質，其為16-μm厚的SiO2。使用SiO2作為夾層電介質有兩個好處：一、使用常規半導體制造技術就可以處理SiO2，從而大大降低了生產成本；二、它是具有最小老化效應且最穩定的隔離材料之一，因此電容隔離器的預計壽命遠遠超過其他技術。
隔離器使用壽命
隔離器的使用壽命主要取決于所用材料及其厚度。由于制造帶來的雜質和不完整性缺陷，電介質會隨時間而退化，這種退化會由于電介質上施加的電場及其溫度的上升而加快。其中預計使用壽命是基于TDDB E電介質擊穿模型來確定。
實際上，周圍溫度維持在150℃時，TDDB由隔離器的施加應力電壓決定（請參見圖3）。測試之初便激活一個計時器，其在隔離器電流超出1mA時停止，表明電介質擊穿。記錄每個測試電壓的故障時間，并根據理論E模型曲線進行繪圖。
圖3 TDDB測試方法
圖4 E模型曲線
下圖所示的TDDB曲線表明，電容隔離器的測試數據完全匹配 E模型預測，從而得出在2000Vrms工作電壓下20年的預計使用壽命。
圖5 隔離器的預計使用壽命曲線圖
若要達到10到30年的工業預計使用壽命，目前使用SiO2電介質的電容隔離器是實現這個目標唯一可行的解決方案。
數字隔離器抗擾度——CMTI
CMTI即Common Mode Transient Immunity。CMT共模瞬變抗擾度，是指對施加在隔離電路中的高速瞬變共模電壓上升時（或下降）容許的速率dv/dt，通常以KV/us表示。上升斜率越快引起的干擾沖擊就越大，衡量隔離器件在共模瞬變時依然能夠正常傳輸信號的能力。如圖六所示，為數字隔離器CMTI測試模型框圖。
圖六: CMTI測試模型
在電機驅動等典型應用中，使用PWM脈寬控制柵極驅動MOSFET進而驅動電機。MOS FET等功率器件往往工作在硬開關狀態下，若使用普通的硅MOSFET，產生的電壓跳變(dV/dt)干擾通常在40kV/ μs以內，大多數的隔離產品CMTI都可以滿足該需求。而同樣參數的碳化硅/氮化鎵器件，開關速度更快，特別是下降沿時會更加惡劣，如下是模擬CMTI下降沿測試電路：
圖七：CMTI下降沿測試電路
在使用碳化硅MOS FET時，所產生共模干擾的最大下降斜率會達到200kV/μs，因此要求隔離產品具備200kV/μs以上CMTI能力。
圖八：CMTI下降沿測試波形
如果隔離產品的CMTI能力不夠，dV/dt干擾會對低壓側控制信號造成很大的影響。一旦產生誤脈沖，嚴重情況下會導致橋臂直通，引發短路，造成嚴重的產品失效事故。隨著新能源的普及，越來越多的場景使用碳化硅/氮化鎵器件，提高隔離產品的CMTI能力迫在眉睫。
數字隔離器設計建議
為了保持隔離等級，隔離器件下方的空間應避免布線、過孔和平面。如果某應用不需要高壓保護，僅需要接地隔離或比數字隔離器更低的隔離等級，則隔離器件下方可以出現布線、過孔或平面，但要注意符合爬電距離/電氣間隙要求，也可使用凹槽和切口來增加爬電距離。下圖是某款數字隔離器的示例布局示意圖：
總 結
總體來說，隔離器就是用于隔離電路之間的信號干擾，提高系統的穩定性和安全性。光耦過去是用來隔離電路的，然而，隨著CMOS技術的進步，數字隔離器已成為隔離的首選技術。
思瑞浦公司簡介
思瑞浦秉承獨立開發、自主創新的理念，憑借在隔離產品領域的創新技術和優勢資源，集聚了豐富的技術發明專利，包括基礎隔離、傳輸電路、工藝優化、新型封裝等。截至目前，已推出數字隔離器、隔離接口、隔離采樣、隔離驅動等多個產品系列，獲得市場與客戶的一致認可與好評。同時思瑞浦汽車級隔離產品均通過第三方AEC-Q100可靠性認證。
思瑞浦隔離產品矩陣
思瑞浦隔離產品具備±200kV/ μs的靜態CMTI, 動態CMTI也高達±150kV/ μs具備高隔離電壓，高抗沖擊能力，相關技術指標處于國內領先、國際先進水平，可以滿足絕大多數工業應用場景的可靠性需求。特別適合 碳化硅/氮化鎵的應用在新能源、工廠自動化、電力自動化、電機驅動、電源控制、醫療等場景下。保留足夠的設計余量， 提高系統的魯棒性！
思瑞浦擁有隔離品專用TDDB實驗室
思瑞浦建立了專門針對隔離產品的TDDB實驗室，實驗室內運行的是思瑞浦自主開發的高壓TDDB測試系統，可以實現 7*24小時不間斷地全自動TDDB測試，可以針對隔離產品進行 長達數月甚至更長的TDDB測試。
思瑞浦TDDB實驗室
思瑞浦可提供全系列安規認證VDE、TüV、UL、CSA、CQC、CB
為了滿足全球不同國家和地區客戶的需求，思瑞浦所有隔離產品（工業級和汽車級）可同時提供全系列安規認證：VDE、TüV、UL、CSA、CQC、CB。UL和CSA主要針對北美，包括美國和加拿大地區的客戶和出口北美的產品；CQC是中國地區的安規認證證書；IEC CB則為國際通用的安規認證證書。VDE和TüV主要針對歐洲地區客戶以及出口歐洲的產品。
3PEAK隔離產品選型表
3PEAK數字隔離器命名規則
