数字隔离器件在功率计量芯片中的应用

什么是数字隔离器件
数字隔离技术常用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统和航空航天电子设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣的场合。数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。使用隔离电路的一个首要原因是为了消除噪声。另一个重要原因是保护器件(或人)免受高电压的危害。厂商的产品手册中所列出的隔离等级(isolation rating)应符合美国保险商实验室 (UL 1577)、国际电工委员会 (IEC 60747-5-2、IEC 61010-1)以及加拿大标准协会 (CSA Component Acceptance Notice 5A) 制定的有关隔离器标准。

数字隔离器件有哪些品牌
数字隔离器件的生产商很多，如安华高、TI、ADI、NVE(nonvolatile electronics Inc)、芯科实验室(Silicon Laboratories)等公司，国内有，荣湃（电容隔离），纳芯微（CMOS高隔离耐压工艺），各厂商的产品都得到了广泛的应用。

数字隔离器件的分类
1、光电藕合器
光耦合器(optical coupler)也叫光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件。发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)被封装在同一管壳内，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得了广泛的应用。其电路结构相对较为简单，主要由砷化镓红外发光二极管和用作检测器的光敏二极管或三极管组成，有些产品在光敏二极管或三极管的后级添加一些处理电路，使其特性适合于一些特殊的应用或实现一些标准接口。

2、电感式隔离器件
电感耦合使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信。电感耦合的优势之一是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声。另一个优势是信号能量的转换效率极高，因而可以实现低功耗隔离器。缺点之一是易受外部磁场(噪声)的干扰。
根据对数字信号编解码的不同，主要有以采用脉冲调制(ADI公司)和射频调制(芯科实验室)为主的两类产品。而采用巨磁电阻(GMR)效应技术设计的数字隔离器件是另一个例子，以NVE公司和安华高公司为代表。

3、脉冲调制变压器隔离器件
ADI公司的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件。平面变压器采用CMOS金属层，顶部镀了一层金用于钝化。在镀金层下面的抗高击穿电压的聚酰亚胺层将其顶部的变压器线圈和底部线圈隔离。连接到顶部和底部线圈的高速CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本方法。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题，功耗降低了90%，并且无需外部驱动器或分立器件。
ADI公司ADuM1100器件原理框图如图所示。

4、射频调制变压器隔离器件
芯科实验室公司是采用射频调制变压器技术研发生产数字隔离器件的典型代表。其Si844x系列器件以一套专利架构为基础，利用标准全CMOS工艺制造多组芯片级变压器，能够提供整合度最高的4通道隔离功能。产品中采用的射频编码和译码机制使得不需要特别考虑或初始设定，就能提供可靠的隔离数据路径。芯科实验室公司产品的优点与ADI公司的产品类似，但也有一个很明显的缺点。由于采用射频调制，内部有2.1GHz的载波产生及检测，载波和谐波会对外界产生电磁辐射，不过电磁辐射值满足FCC(美国通信委员会)标准要求。

5、电容耦合隔离器件
电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输。电容器极板之间的材料是电介质绝缘体(二氧化硅)，即隔离层，这种高性能的绝缘体具有很稳定的可靠性和耐用性以及抗磁干扰能力和抗瞬态电压能力。电极板的大小、板间距离以及电介质材料决定了电气特性。采用电容隔离层的优势是效率高，无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。这种高效特性使得实现低功耗及低成本的集成式隔离电路成为可能。抗干扰性则使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作。与变压器不同的是，电容耦合的缺点在于无差分信号，并且噪声与信号共用同一条传输通道。这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率，以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗而对噪声呈现高阻抗。如同电感耦合一样，电容耦合也存在带宽限制，并需要时钟编码数据。

数字隔离器件有什么优势和劣势
1、兼容性
各公司的隔离器件只要通道数相同，都采用相同的封装，引脚相互兼容，仅有部分引脚定义稍有差异，大多数情况下都可相互替换。产品设计师可根据具体需要选择不同公司的产品，也可在调试时更换，给产品设计留下了更多的选择空间。
2、PCB体积更小
使用数字隔离器件，相比光藕，占比PCB的面积会小很多；
下图是使用4个光藕的PCB面积

下图是使用隔离器件的PCB面积，可以看到面积减小一半;

3、成本更低
在一些高速应用的场合，比如150k速率以上，使用数字隔离器件的采购成本会相对比较低；如果对价格敏感，可选用国内品牌，比如纳芯微（CMOS隔离工艺）和荣湃（电容隔离工艺）
4、外围电路简单
使用数字隔离器件，外围电路只需要在器件VDD端增加一个电容，外围器件相对光电藕合器简单
5、专利问题需要考虑
使用国内品牌的数字隔离器件，需要考虑专利侵权问题，不过好在大多隔离器件是PIN to PIN兼容的，临时替换起来也相对容易。

数字隔离器件在功率计量芯片中的应用
数字隔离器件隔离电压一般有3KV或6KV，光藕隔离器的隔离电压3.75KV，在一般的工业应用场景中，可以选用3KV的数字隔离器件，使用成本上会低一些。
以下推荐的隔离器件，同样也可以选用国外TI、ADI等厂家的品牌，一般是PIN TO PIN 兼容的。
功率计量芯片HLW8012

推荐使用数字隔离器件型号:
a) 荣湃：131U31，速率：150Kbps,默认高电平
b) 纳芯微：NSI8131N1, 速率：150Mbps，默认高电平

功率计量芯片HLW8032

推荐使用数字隔离器件型号:
1、荣湃：122U31，速率：150Kbs，默认高电平
2、纳芯微：NSI8021N1，速率：10Mbps, 默认高电平

功率计量芯片HLW8110

推荐使用数字隔离器件型号:
1、荣湃：122U31，速率：150Kbps，默认高电平
2、纳芯微：NSI8021N1，速率：10Mbps, 默认高电平

功率计量芯片HLW8112

推荐使用数字隔离器件型号:
1、荣湃：
a) 低速：131U31，速率：150Kbps,默认高电平
b) 高速SPI：141M30，速率:10Mbps，默认高电平
2、纳芯微：
a) 低速：NSI8131N1, 速率：，默认高电平
b) 高速SPI：NSI8141M，速率150Mbps：默认高电平

参考文献：
1、浅谈数字隔离器件的选型与应用，来源：电子设计应用
2、 http://en.novosns.com/
3、 http://www.rpsemi.com/

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