Toshiba 数字隔离器助力工业应用实现稳定的高速隔离数据传输

隔离器件是将输入信号进行转换并输出，以实现输入、输出两端电气隔离的一种安规器件。电气隔离能够保证强电电路和弱电电路之间信号传输的安全性，如果没有进行电气隔离，一旦发生故障，强电电路的电流将直接流到弱电电路，可能会对人员安全造成伤害，或对电路及设备造成损害。

另外，电气隔离去除了两个电路之间的接地环路，可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，让电子系统具有更高的安全性和可靠性。一般来说，涉及到高电压（强电）和低电压（弱电）之间信号传输的设备大都需要进行电气隔离并通过安规认证。

数字隔离器是新一代隔离器件。隔离器件广泛应用于信息通讯、电力电表、工业控制、新能源汽车等各个领域。从技术路线上来说，隔离器件可以分为光耦和数字隔离芯片两种。相比传统光耦，数字隔离芯片是更新一代、尺寸更小、速度更快、功耗更低、温度范围更广的隔离器件，并且拥有更高的可靠性和更长的寿命。

数字隔离可以分为光隔离（光耦）、电容隔离（容耦）、变压器隔离（磁耦）三种类型，其中光耦发明最早，但由于光电特性限制无法实现高频传输且功耗较大，此外常见的光耦用电介质空气和环氧树脂介电强度有限，隔离性能较差。近年来容耦和磁耦，由于其传输速度更高、绝缘性能更好的特点，快速替代光耦器件。

1）光耦：通过电到光到电的形式进行信号传输，使用LED发出的光，这使得光耦方案的静态电流，数据传输延迟，CMTI等性能都会较差

2）容耦：采用高频信号调制解调将输入信号通过电容隔离之后传输出去，利用低电流电场将数据耦合到隔离栅的另一端

3）磁耦：磁场进行能量传递将信号进行隔离传输，通过变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电流

在数字隔离方面，磁隔离技术要优于电容隔离技术，主要原因在于磁隔离技术的耐压更高，其采用的聚酰亚胺隔离层相对于电容隔离技术的二氧化硅而言，可以做得更厚，二氧化硅需要考虑应力的断裂问题不能无限增加，因此在耐压及抗浪涌方面，磁隔离技术的表现更好。

另外，在CMTI方面，磁隔离技术也显著优于电容隔离产品， CMTI共模瞬变抗扰度，是指瞬态穿过隔离层以破坏驱动器输出状态所需的最低上升或下降dV/dt，通常以 kV/µS 为单位。共模瞬变是隔离应用程序中数据损坏的主要原因之一，是隔离产品最重要的指标之一。高压摆率（高频）瞬变可以通过隔离栅上的寄生电容耦合，从而破坏数据。

CMTI为衡量数字隔离器性能的关键指标，以光伏逆变器系统为例，隔离驱动器有一侧的地是悬浮的并且快速切换的，如果 CMTI 能力不够，可能会导致输出错误，出现电路短路，影响系统安全。对其他应用比如电机驱动器，变频器也是如此。

电容隔离的信号与共模噪声为同一路径，尽管可以采用双电容来抑制，但电容隔离的CMTI表现还是逊于磁隔离技术。尤其是对于逆变器、变频器、电机驱动以及电源转换等快速变化电压的场景下而言，CMTI是一项重要选型指标。

『东芝推出新款高速四通道数字隔离器“DCL54xx01”系列，该系列具有100kV/μs（最小值）的高共模瞬态抑制（CMTI）和150Mbps的高速数据速率。想要确保工厂自动化设备的安全性和可靠性，需要隔离器件来确保绝缘并防止噪声传播。东芝提供了数字隔离器解决方案，以满足工业应用在更高速度、多通道信号通信以及高CMTI方面的要求。新产品采用东芝专有的磁耦合式绝缘传输方法，可提供100kV/μs（最小值）的高CMTI。

这不仅实现了隔离信号通信中输入／输出间电气噪声的高容限，而且也有助于稳定的控制信号传输和设备运行。数字隔离器具有0.8ns（典型值）的低脉宽失真和150Mbps（最大值）的高速数据速率，适用于多通道高速通信应用，如用于SPI通信的I/O接口。』

作者：东芝

出处：https://toshiba-semicon-storage.com/cn/company/news/news-topics/2023/05/isolators-solid-state-relays-20230509-1.html