工程師分享:正確選擇數字隔離器的三要素
發布日期：2014-04-30 瀏覽次數 ：25916
多年來，工業、醫療和其他隔離系統的設計人員實現安全隔離的手段有限，合理的選擇是光耦合器。如今，數字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有。了解數字隔離器三個關鍵要素的特點及其相互關系，對于正確選擇數字隔離器十分重要。這三個要素是：緣材料、結構和數據傳輸方法。
設計人員之所以引入隔離，是為了滿足安全法規或者降低接地環路的噪聲等。電流隔離確保數據傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。
傳統隔離器——光耦合器則會帶來非常大的不利影響。它們的功耗高，而且數據速率低于1Mbps。雖然存在更率和更高速度的光耦合器，但其成本也更高。
數字隔離器問世于10多年前，目的是降低光耦合器相關的不利影響。數字隔離器采用基于CMOS的電路，能夠顯著節省成本和功耗，同時大大提高數據速率。數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準。結構和數據傳輸方法的選擇應以克服上述不利影響為目的。所有三個要素必須互相配合以平衡設計目標，但有一個目標必須不折不扣地實現，那就是符合安全法規。
數字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標準材料會使生產復雜化，導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，并且已經在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓緣體具有悠久的歷史。
安全標準通常規定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)。某些標準也會規定更短的持續時間、更高的電壓(如10kV峰值并持續50μs)作為增強緣認證的一部分要求。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。
正確選擇數字隔離器的三要素
基于聚酰亞胺的數字隔離器與光耦合器相似，在典型工作電壓時壽命更長。基于SiO2的隔離器對浪涌的防護能力相對較弱，不能用于醫療和其他應用。
各種薄膜的固有應力也不相同。聚酰亞胺薄膜的應力低于SiO2薄膜，可以根據需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限，因而隔離能力也會受限；超過15μm時，應力可能會導致晶圓在加工過程中開裂，或者在使用期間分層。基于聚酰亞胺的數字隔離器可以使用厚達26μm的隔離層。
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