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数字隔离器设计指南
1 工作原理
隔离是一种防止系统的两个部分之间产生直流和不需要的交流电流的方法，同时允许这两个部分之间的信号和功率传输。 用于隔离的电子器件和半导体集成电路称为隔离器。 一般来说，隔离器可以抽象为由高压隔离组件或屏障、将信号耦合到隔离组件一侧的发送器 (TX) 和用于转换另一侧可用信号的接收器 (RX) 组成。 隔离组件的一侧转换为数字电平。TI 的隔离器使用基于 SiO2（二氧化硅）的高压电容器作为隔离组件。 对于 TX 和 RX 电路，使用了两种不同的架构：基于边沿的和基于开关键控 (OOK) 的架构。这些架构在 1.1 节和 1.2 节中进行了解释。
1.1 基于边缘的通信
基于边缘的通信的概念框图如图 1-1 所示。 ISO73xx、ISO74xx、ISO71xx、ISO76xx、ISO75xx 和 ISO72xx 系列的隔离器以某种形式使用此架构。
该器件由至少两个数据通道组成，一个是带宽从 100kbps 到 150Mbps 的高频通道 (HF)，另一个是覆盖从 100kbps 到直流范围的低频通道 (LF)。
原则上，进入 HF 通道的单端输入信号通过输入端的反相器门分为差分信号。 以下电容电阻网络将信号区分为小而窄的瞬态，然后由两个比较器将其转换为轨到轨差分脉冲。 比较器输出驱动一个或非门触发器，其输出馈送到一个输出多路复用器。 触发器驱动输出端的决策逻辑 (DCL) 测量信号瞬变之间的持续时间。 如果两个连续瞬态之间的持续时间超过某个时间限制（如在低频信号的情况下），DCL 会强制输出多路复用器从高频通道切换到低频通道。
由于低频输入信号需要内部电容器采用非常大的值，因此这些信号使用内部振荡器的载波频率进行脉宽调制 (PWM)，从而产生足够高的频率，能够通过电容势垒。 当输入被调制时，需要一个低通滤波器 (LPF) 从实际数据中去除高频载波，然后再将其传递到输出多路复用器。
1.2 基于开关键控 (OOK) 的通信
基于 OOK 的通信的概念操作如图 1-2 所示。 相应的信令如图 1-3 所示。 ISO67xx、ISO78xx 和 ISO77xx 系列中的隔离器使用此架构。
在这种架构中，输入的数字比特流使用内部扩频振荡器时钟进行调制，以生成 OOK 信号，这样输入状态之一由载波频率的传输来表示，而另一个状态由不传输来表示。 该调制信号耦合到隔离栅，并以衰减形式出现在接收侧。 接收路径由一个前置放大器组成，用于放大输入信号，然后是一个包络检波器，用作解调器以重新生成原始数字模式。 TX 和 RX 信号调理电路用于改善通道的共模抑制，从而实现更好的共模瞬态抗扰度 (CMTI)。
2 数字隔离器和隔离功能的典型应用
典型数字隔离器的引脚图如图 2-1 所示。 它由两个电源组成：VCC1 和 VCC2，两个接地：GND1 和 GND2，以及两侧的输入和输出引脚分别对应于相应的接地。 也就是说，在图 2-1 中，引脚 1 到 8 被称为 GND1，引脚 9 到 16 被称为 GND2。
数字隔离器使用单端、CMOS 或 TTL 逻辑、开关技术。 VCC1 和 VCC2 两个电源的电压范围通常为 3 V 至 5.5 V，但有些器件可能支持更大的电源电压范围。 例如，ISO78xx 器件可以使用低至 2.25 V 的电源。在使用数字隔离器进行设计时，请务必记住，由于单端设计结构，数字隔离器不符合任何特定的接口标准，仅 用于隔离单端数字信号线。
隔离功能是指将收发器或栅极驱动器等附加功能与隔离器集成在一起的器件。 一个示例是本节稍后描述的集成隔离式 RS485。 与数字隔离器不同，隔离功能可能需要符合某些标准。 例如，隔离 I2C 缓冲器将与 I2C 标准兼容。 此外，隔离功能可能需要更高的电源，例如，隔离栅极驱动器可能使用 ±15 V 来驱动 IGBT 栅极。
由于各种原因，m6体育电气系统需要隔离。 一些示例包括保护人类操作员免受高压瞬变的影响，防止损坏高压系统中昂贵的处理器、ASIC 或 FPGA，断开通信网络中的接地回路以及与电机驱动或电源转换器系统中的高端设备进行通信。 需要隔离的应用示例包括工业自动化系统、电机驱动、医疗设备、太阳能逆变器、电源和混合动力电动汽车 (HEV)。
本节介绍了数字隔离器和隔离功能的一些示例应用。 在《用高性能数字隔离技术突破极限》白皮书中阅读有关数字隔离器与共模瞬态抗扰度和高工作电压相关的性能的更多信息。 有关更多示例、详细应用图和用例，请参阅相应的产品数据表。
图 2-2 展示了最简单的隔离器应用。 这里整个电路构成一个单端低压系统，其中数字隔离器将控制器的 SPI 接口与数据转换器的 SPI 接口连接起来。 SPI 接口中最常用的隔离器是 ISO7x31 和 ISO7x41，因此通常被指定为 3 通道和 4 通道 SPI 隔离器。 对于隔离式 SPI 读取的实现，如何在标准接口电路中用数字隔离器替换光耦合器，以及在电池管理系统 (BMS) 中使用隔离式 SPI 和 I2C 简化电流和电压监控。
图 2-3 中成熟的隔离式 RS-232 接口需要两个四路隔离器，因为除了实际数据线 RX 和 TX 之外还需要六个控制信号。 尽管整个系统是单端的，但对称 13V 总线电源的高压要求使得必须对 UART 和总线收发器低压侧之间的数据链路进行电流隔离。 此外，13V 直流母线可能反过来由更高的电源产生，在这种情况下，隔离还可以作为防止系统电源线路上的高压瞬变的一种手段。
如图 2-3 中的示例，图 2-4 中 RS-485 接口的隔离发生在控制器和总线收发器之间。 尽管整个接口电路是一个低压系统，但传输总线的差分特性需要在单端端预先隔离。 在多节点分布式 RS-485 网络中，不同节点可能以不同电位为参考地，在这种情况下，隔离可通过这些地电位之间的电平转换实现通信。
由于图 2-5 所示接口的简单性，可以将隔离器功能集成到收发器电路中，从而提供具有低成本和低组件数的专用隔离器设备。 图 2-5 是一个隔离函数的示例。 有关如何实施这些 RS-485 解决方案的图表，请阅读如何隔离 RS-485 系统的信号和电源。
此处并未涵盖数字隔离器和隔离功能的所有应用。 这些只是了解隔离器如何放置在系统中的示例。 有关更多示例、详细应用图和用例，请参阅相应的产品数据表。
3 数字隔离器选型指南
本节首先介绍在选择数字隔离器或隔离功能时要寻找的关键参数，然后简要介绍 TI 目前提供的隔离器和隔离功能系列。 请参阅以下链接以获取全面的隔离器选择指南。
3.1 感兴趣的参数
本节简要介绍了典型隔离器数据表中的一些参数及其与系统设计的相关性。
隔离性能：
1. 最大瞬态隔离电压 (VIOTM) 和隔离耐受电压 (VISO) 表示隔离器的
承受暂时（少于 60 秒）高压的能力。
2. 最大重复峰值电压（VIORM）和工作电压（VIOWM）表示隔离器在其整个生命周期内可以承受的连续电压。
3. 最大浪涌隔离电压 (VIOSM) 表示隔离器可以承受的最大脉冲电压（上升 1.2-µs 和 50-µs 衰减时间的波形）。
时序参数：
1. 数据速率。
2. 传播延迟在往返延迟会增加时序预算（例如，SPI 接口）或延迟是控制回路的一部分的系统中很重要。
3. 如果时序预算依赖于通道之间的匹配，则传播延迟偏斜很重要； 例如，如果时钟在一个通道上传输，而数据在另一个通道上以相m6体育向传输。
4. 毛刺滤波器：一些数字隔离器带有集成的毛刺滤波器，即使在嘈杂的环境中也能很好地工作。 然而，毛刺滤波器会增加传播延迟并降低数据速率。
共模瞬态抗扰度 (CMTI)：
CMTI 表示隔离器能够容忍其地之间的电位差的快速变化，或者换句话说，共模的快速变化，而不会导致误码。 高 CMTI 表示强大的隔离通道。
能量消耗：
在感兴趣的数据速率下每个通道的功耗。
包裹：
1. 爬电距离和电气间隙：沿着封装表面并穿过隔离器一侧引脚之间的空气到另一侧引脚的距离。 系统级标准要求基于工作电压、峰值瞬态电压和浪涌电压的这些参数的最小值。
2. 比较漏电起痕指数 (CTI) 表示封装模塑料处理稳定高压而不会使表面退化的能力。 更高的 CTI 允许在相同的工作电压下使用更小的封装。
3.2 隔离器系列