磁耦隔离与传统隔离的区别

传统隔离技术:
传统的隔离方式有哪些?
这里有三种通常的隔离技术:
 光电隔离
 变压器隔离（磁耦是芯片级变压器隔离技术）
 电容隔离
在体积、成本、性能等各方面都有优缺点，传统的隔离方式是光电隔离：
什么是光耦?什么是光隔离?
光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如：空气间隙)上的光传输，以达到隔离目的。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
光耦合技术的主要优点是，光具有对外部电子或磁场内在的抗扰性，而且，光耦合技术允许使用恒定信息传输。光耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED老化上。

什么是变压器隔离?
变压器隔离使用变压器线圈来使传输信息通过隔离势垒，隔离前端的电流变化通过线圈引起隔离另一侧的电流变化. AC信号(例如以太网)的隔离非常适合于变压器耦合.变压器隔离的优点是速度高，而且可以给隔离端供电.然而,变压器的体积比较大。.
磁耦技术(参看下面)是一种芯片级变压器隔离技术。

什么是电容隔离?
电容隔离使用电容器耦合数据信号通过隔离势垒.这种方式的功耗比较低，但在共模抑制方面却有很大的不足。有疑问？与下文有矛盾，待解。。

现在电容技术应用还挺多的，而且价格也越来越便宜，TI就有不少电容隔离器件，可以参考

磁耦隔离
磁耦隔离技术
icoupler磁耦数字隔离器就是在上述背景下，由美国模拟器件公司ADI（Analog Devices Ins）设计开发的一款适合高压环境的隔离电路。Icoupler技术是ADI公司的一项专利隔离技术，它是一种基于芯片尺寸的变压器，而非传统的基于光电耦合器所采用的发光二极管（LED）与光敏三极管结合，因采用了高速的iCOMS工艺，因此在功耗、体积、集成度、速度等各方面都优于光耦。同时能满足医用设备高电压工业应用、电源以及其它高隔离度环境的严格隔离要求，非常适合在各种工业上的应用，包括数据通信、数据转换器接口、各种总线隔离以及其它多通道隔离应用。

现在电容隔离和电磁隔离器件里面都加进了新技术，可以传输低频甚至直流的信号，而且功耗特别低，体积尺寸，价格方面的竞争力越来越强。是一种发展趋势。

现在磁耦技术应用还挺多的，而且价格也越来越便宜，ADI就有不少磁耦器件，可以参考

现在电容技术应用还挺多的，而且价格也越来越便宜，TI就有不少电容隔离器件，可以参考

光耦的抗干扰能力强，所以现在很流行，但是在一些要求低功耗的场合，使用光耦就太不合算了。在数据传输中采用磁耦应该是个不错的选择，我看好这个趋势。

这些磁耦在高速多通道领域比光耦更具有性价比，因为磁藕的通道都可以集成在芯片上，而光耦的每个通道都要用到一对输入与输出芯片，且要每个通道在封装时要相互独立，因此ADI公司非常乐意用这些优势来宣传他们的产品。

ADUM1200/1201，ADUM1400/1401，ADUM3200/3201

ADUM1200与ADUM3200是双通道的，他们的传输速率最高可达到25Mbps，而ADUM1400是四通道的，传输速率最高可达90Mbps，因此仅从速度方面来讲，他们相比光耦是相当有优势的。

对于磁耦来说每个通道都包含：一个输入缓冲器，一个编码器（内置刷新发生器），一个隔离变压器，一个解码器（内置看门狗定时器）和一个输出缓冲器。

因为这些这些磁耦通常应用在一些现场总线中，而要想接受和发送信息在同一块磁耦上完成，因此就有必要有正向与反向的通道，比如ADUM1201，ADUM3201，ADUM1401。

我们可以看到ADUM1201与ADUM3201的功能基本上是一样的，那他们有什么区别呢？需要了解的是，由于磁耦采用CMOS技术，因此在系统级ESD (静电放电)、电涌电压、快速瞬变或其它过压条件下，它比光耦更容易受到闩锁或ESD的破坏。为了更好地支持磁耦在恶劣ESD条件下的应用，ADI公司将推出的ADuM3xxx系列改进了电路设计和布局，提高了他们对ESD事件的耐受能力，当然他与ADUM1xxx系列的磁耦引脚和规格都是兼容的。

磁耦产品有什么优势？
1、速度高：最高150Mbps;
2、功耗低：工作时的功耗仅为传统光耦产品的1/10；
3、瞬态抑制能力更强：25KV/US
4、体积更小：一个芯片上最多四个通道
5、应用方便：同一芯片内提供正向和反向通信通道，而且不用任何外围分立元件。
6、可靠性高，寿命长：省去传统光电转换部分，寿全与其它CMOS器件相同

下面这两个概念是完全不同的两回事，需要注意：CMRR（共模抑制比）和Common mode transient immunity（共模瞬变抗扰度）

在此记录一下第二个概念：光耦理论上应该只通过有用信号（差模），不通过干扰（共模），对静态干扰的确如此。但对动态干扰，还是不可能完全抑制的，因为两端之间存在分布电容，于是变化非常快的瞬态干扰（用电压变化率dv/dt衡量）就有可能窜到另一端。于是就有了共模瞬变抗扰度这个参数来衡量光耦这方面的能力，对于光隔离，这个指标比磁隔离器件的要好很多。这是选择两种隔离器件的时候需要注意的地方。（有疑问，待解。。）

具体可以ACPL-336J的图14及后续几张图，和参数列表中CM来分析理解这个参数。
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【技术】浅谈光耦、磁耦和容耦三种不同信号隔离方式特点

随着对信号的抗干扰能力提升，会对信号进行越来越多的隔离处理。目前市场上用的最多的隔离方案通产会采用光耦和磁耦的。一个采用光电传输的方式进行信号的隔离，另一个是采用磁场的形式进行信号的隔离；但是随着在车载上的运用，会对隔离芯片提出越来越苛刻的要求，比如通讯速率，信号传输延时时间，寿命，CMTI（高共模瞬态抑制）能力，是否具有很好的扛EMI特性以及AEC-Q100的车规要求，显然光耦及磁耦在这方面不能完全满足车载上的要求。但是Silicon Labs推出的容耦具有满足车载上运用的特点。首先是车规级芯片，CMTI及可靠性高，在汽车领域的信号隔离运用广泛；现在谈一下光耦、磁耦和容耦三种不同通讯的特点对比：

首先三种不同的隔离形式对比如图1所示：很明显看出隔离的方式是不一样的。

光耦是通过电到光到电的形式进行信号传输；

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；

磁耦的隔离主要通过磁场进行能量传递将信号进行隔离传输。

图1：光耦隔离容耦隔离磁耦隔离

如图2所示将三者技术进行归纳总结对比：

通过图2的参数对比，可以看到在绝缘这块容隔离是优于光耦和磁偶的。因为SIO2是目前绝缘介质中隔离性最强的，相比于化合物的绝缘来说，采用SIO2做绝缘具有更强的绝缘优势；

隔离特点上光耦采用光的形式进行信号传递，容耦通过电场的形式进行传输，磁偶采用磁场形式进行传输；

由于光耦本身通过发光二极管实现光信号到电信号的转换，而发光二极管存在光栅问题，可靠性受到影响；

而磁偶由于集成变压器，通过变压器进行磁场的能量交换，但是变压器本身是一个辐射源，存在着EMI干扰性问题。

容耦通过电容进行隔离，内部集成高频调制信号将输入信号进行调制解调，信号具有很好的跟随特性，在性能更具优势。

图2：三种隔离方式参数对比

推荐SILICON LABS容隔离系列芯片SI86XX，非常适合车载信号隔离，其有以下特点：

1）SILICON LABS的隔离芯片SI86XX采用Si02基底介质，每路隔离通道都是采用差分电容设计，而Si02特性为无机材料在各种温度、湿度条件下都是最稳定的，高隔离度介质： > 500V/微米(注：光耦采用聚合物隔离，隔离等级50V-200V/um)

2）差分输入，采用OOK调制技术，输出完全跟随输入信号，稳定输出。差分信号设计抗干扰能力强；

3）高寿命工作电压：>60年，在工作电压范围

4）噪声性能：抗噪声能力，高共模瞬态抑制 (CMTI) ，器件需要抵抗高电压瞬变防止数据从这些瞬变发生错误，具备优越的噪声抑制能力，CMTI能力高达50kV/µS

CMTI参数对于隔离驱动器选型的重要性

业余坐家 2020-11-07 11:10:19 628 收藏 4
分类专栏：电路基础理论文章标签： CMTI 共模瞬变抗扰度
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什么是CMTI?
CMTI（Common mode transient immunity）是隔离产品（包括iCoupler digital isolators 和optocouplers）最重要的指标之一。CMTI共模瞬变抗扰度，指是指瞬态穿过隔离层以破坏驱动器输出状态所需最低上升或下降的dv/dt（kV/µs or V/ns），如图：

图1. CMTI

CMTI分为静态和动态。静态是指把输入引脚连逻辑高电平或者低电平，然后模拟施加共模瞬变，理论上在CMTI规格以内的冲击都无法改变输出状态。UL and VDE 0884-11 并没有要求强制通过动态CMTI的测试，和静态CMTI的要求一样，动态CMTI的冲击下，输出也应当保持正常，如果CMTI的能力不够强，会出现类似missing pulse, excessive propagation delay（传播延时过大）, high or low error 或者 output latch的错误，如下图：

图2. 错误类型

CMTI在应用中的意义
高噪声瞬变会导致栅极驱动器失去信号完整性，或者“毛刺”，从而导致系统调制失败;或者更糟的是，生成一个伪信号，其可能触发两个功率MOSFET同时接通，从而引发危险的电气短路情况。高瞬变也可能造成栅极驱动器进入一种永久的闩锁状态，这也会引发危险情况。
控制电源开关的栅极驱动器的设计必须能够承受这些噪声瞬变，同时不会造成毛刺或闩锁。驱动器承受这些共模噪声瞬变的能力被定义为共模瞬变抗扰度(CMTI)，它由大多数厂商通常列在其产品数据手册中的一项规格来定义，并以kV/µs为单位来表示。
在应用中，这种瞬态通常是由开关节点上的高dV/dt引起的。如图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。这里CMTI是一个关键指标，如果CMTI能力不够，可能会导致输出错误，可能会出现电路短路，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。

图3. 典型光伏逆变器系统

那么应该怎么挑选CMTI参数呢？为了减少开关损耗而缩短上升下降时间，对CMTI的要求会变高。另外为了提高功率密度，节省成本，很多新的平台会考虑提高开关频率，甚至采用SiC或GaN，这同样会带来CMTI需求的变大。另外，实验证明，具有高CMTI的器件在干扰大的环境中， EMC/EMI的性能会更好。比如一个1500V的变频器，64kHz的开关频率，50-ns的上升/下降时间需要最少30-V/ns的CMTI，建议选择40V/ns以上。
在隔离电源转换器系统中，栅极驱动器需要被隔离以保持从首级侧到次级侧的隔离完整性。栅极驱动器通常为功率FET的栅极提供高达4A的开关电流。对于给定的FET栅极电容，电流驱动能力越强，开关速率就越快。下图显示了一个隔离栅极驱动器的简单原理图，其连接至一个电压达400V的功率FET的栅极。

图4.隔离栅极驱动器示例

隔离栅极驱动器解决方案
结隔离驱动器五级标题
结隔离驱动器有一个浮动的高压侧驱动器去适应高电压线路。对于这样的设备而言，最高额定电压约为600V。通常情况下，这些产品经济实惠，但具有较小的瞬变抑制力，很容易闩锁，从而造成永久损坏或安全危害。一般来说，用于支持信号完整性的CMTI规格是在10kV/µs范围之内，而用于支持闩锁抗扰的CMTI规格是在50 kV/µs范围之内。

光耦合驱动器
光耦合栅极驱动器都被真正地隔离(相对于浮动的高压侧驱动器)，而且它们已经存在了相当长的一段时间。典型光耦合驱动器的CMTI规格在10-20 kV/µs之间，而最新产品则拥有大为改善的性能，其CMTI值达到50 kV/µs(最小值)。

电容耦合和变压器耦合驱动器
除了结驱动器或光耦合驱动器之外，诸如电容耦合或变压器耦合解决方案等技术，也使性能提升了一大截。
请牢记我们的最终目标——实现可能的最快开关速率同时确保安全性——电容耦合和变压器耦合驱动器的最大优势在于，他们能够承受极高的噪声瞬变，而又不会丢失数据并不会被闩锁。一些最新的变压器耦合栅极驱动器的CMTI规范为50 kV/µs(最小值)，而这仍然不能满足我们所考虑的最高效率系统。
最新的电容耦合解决方案也有相应的CMTI规范，支持信号完整性的CMTI为200 kV/µs(最小值)，支持闩锁抗扰的CMTI为400 kV/µs(最大值)。这是业界领先的性能，且最适合当今的新型高频系统设计。
使用电容耦合隔离驱动器还有一些其它的优势。它们非常快速(低延迟)，并且信道之间和器件之间的一致性优于其它解决方案。与一些流行的光耦栅极驱动器相比，其传输时延(延迟)性能要好10倍之多，同时器件之间的一致性也要好10倍甚至更多。这种一致性为设计人员提供了另一项关键优势——系统的整体调制方案可以进行微调以实现最高效率和安全性，而无需去适应规格变动。
这些驱动器还允许较低电压操作(相比5V的2.5V)，以及更宽的工作温度范围(-40℃至125℃，而光耦合驱动器仅为-40℃至105℃)。此类驱动器还提供其它先进的特性，例如输入噪声滤波器、异步关断能力，以及在同一个封装中的诸如半桥或双通道独立驱动器等多种配置。
产品的安全性和长期可靠性也是这些应用中的关注重点，并且考虑这些属性也是非常重要的。另外，新型驱动器在高电压条件下的额定工作寿命为60年，比其它任何可比的解决方案都更长。
资料整理于TI网站

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