如何使用先進數位隔離器，達到最佳隔離和效能

電子系統設計人員需要在產品中加入電源和訊號隔離功能以滿足效能要求，同時符合使用者和裝置安全的監管要求。使用變壓器可以輕鬆進行交流電源路徑的隔離。直流電源軌的隔離最終也依賴變壓器，但需要更多的電路。然而，針對已數位化的類比訊號以及數位串列資料流的隔離，需面臨不同的挑戰和複雜性。

在這種情況下，用於隔離的能量傳輸技術必須在隔離屏障上保持訊號完整性，以維持系統效能。有很多方法都可以實作隔離，但設計人員必須確保在更高資料速率和更具挑戰性的環境中能達到訊號完整性。因此，越來越多設計人員選用能以 150 Mbps 的速度傳輸資料的數位隔離器。

本文簡要說明為何需隔離，並強調感測器架構電路的隔離需求。接著以 Analog Devices 的先進數位隔離器為例，探索隔離的各層面，並展示如何加以應用。

隔離：原因和位置

感測器架構電路需要隔離有多種理由：

1. 隔離可以消除共模電壓變化，並將特定類型的電磁干擾 (EMI) 降至最低。可防止外部雜訊源破壞採集的訊號，以確保達到更乾淨、更準確的測量。也可允許測量具有高共模電壓的小訊號。
2. 電路接地之間具有電位差，因此接地迴路會引入電壓差，造成測量訊號失真。隔離可斷開接地迴路。
3. 隔離可防止危險的電壓尖波、暫態、突波到達敏感的測量元件。這可以保護測量電路、任何連接的裝置、使用者。
4. 隔離支援不同電路功能之間的安全位準轉換。隔離屏障一側的電路可以是感測器電壓，另一側的電路可以是 3.3 V 或 5 V 的邏輯位準訊號。

例如，在高壓電池組中，通常需瞭解各個電池的電壓，以確保系統安全運作及達到最長電池續航力。儘管串聯電池組中存在高達數百伏特的共模電壓，但還是必須測量單一電池兩端的電壓。

雖然可以使用類比電路和隔離放大器克服此問題，但這種方式不能滿足在進行更高頻寬和解析度測量時，需保持系統準確性、線性度、一致性之需求。

相反地，執行這些測量的最準確、實惠、有效的技術是隔離整個量測前端，包括類比數位轉換器 (ADC)，接著使用隔離的序列鏈路將數位化資料傳輸到系統的其餘部分 (圖 1)。

圖 1：測量高壓堆疊中單一電池的電壓時，隔離前端可克服共模電壓的挑戰 (圖片來源：Analog Devices)

這種方式可隔離電池組的共模電壓，同時防止任何危險的高電壓在發生故障時轉移到資料鏈路側或使用者身上。

請注意，每當需要訊號隔離時，就需要提供隔離電源，因為非隔離的電源軌會抵觸並抵銷訊號隔離。此電源隔離需求可採用獨立電源隔離電路或使用電池作為獨立隔離的電源達成。

如何提供隔離

由許多參數定義隔離效能。值得注意的是隔離屏障在故障發生之前可耐受的最大電壓。法規規定其最大值，通常為數千伏，實際值取決於應用所需。

可使用數種不同的技術，達到數位訊號隔離。包括電容式耦合、光耦合 (LED 和光電電晶體)、微尺度的 RF 傳輸和磁耦合。

後者是一項可靠的技術，擁有許多優良屬性，但向來需要相對較大且較昂貴的訊號變壓器。Analog Devices 推出了 iCoupler 技術，使情況有所改變。 此技術使用晶片級一次和二次變壓器線圈，並採用聚醯亞胺絕緣層隔離屏障隔開 (圖 2)。高頻載波穿過隔離屏障，將資料傳輸到二次線圈。

圖 2：iCoupler 技術使用高頻載波，穿過厚聚醯亞胺絕緣層，將資料從一次線圈傳輸到二次線圈 (圖片來源：Analog Devices)

作業時，一次側變壓器由通過其一次線圈的脈衝電流驅動，產生一個小型的局部磁場，該磁場在二次線圈中感應電流。此電流脈衝很短，約 1 ns，因此平均電流很低，確保具有低功耗。此外，用於脈衝的開關鍵控 (OOK) 技術和差動架構，可提供非常低的傳播延遲和高速能力。

iCoupler 中使用的聚合物材料適用於幾乎所有應用，因此具備強大的隔離能力。具有最高挑戰性的使用案例，如醫療裝置和重型工業設備，最能從中受益。

聚醯亞胺的應力也比另一種屏障材料二氧化矽 (SiO₂) 低，並且可以依據需要增加厚度。相較之下，SiO₂ 的厚度有限，因此隔離能力也受限；其厚度在超過 15 μm 時，產生的應力可能會導致晶圓在加工過程中破裂，或在隔離器的使用壽命內分層。聚醯亞胺數位隔離器使用厚度達 26 μm 的隔離層。

Analog Devices 提供各種變壓器架構 iCoupler 數位隔離器。包括 ADUM340E0BRWZ-RL、ADUM341E0BRWZ-RL、ADUM342E1WBRWZ 3000 V rms、150 Mbps 隔離器，適用於 CAN、RS-485、SPI 介面。

這三款數位隔離器屬於 ADuM34xE 元件，差別主要在於其通道方向性。ADuM340E 有四個正向通道，ADuM341E 有三個正向通道和一個反向通道，ADuM3421 有兩個正向通道和兩個反向通道 (圖 3)。

圖 3：ADuM34xE 系列中的三個四通道數位隔離器具有類似的規格，但其通道方向性不同 (圖片來源：Analog Devices)

這三款隔離器均提供兩種自動防故障模式可選 (圖 4)：若輸入側關閉或不工作，則輸出狀態設定為低 (低自動防故障)，或者如果輸入側關閉或不工作，則輸出狀態設定為高 (高自動防故障)。如此，隔離器在關鍵應用中使用時可以恢復到已知狀態。

圖 4：ADuM34xE 元件單通道操作方塊圖，說明低自動防故障 (上) 和高自動防故障 (下) 選項 (圖片來源：Analog Devices)

請注意，輸入側 (圖 3 中 V_DD1 引腳) 和輸出側 (V_DD2) 的電源之間沒有關係。它們可以在其指定的工作範圍內的任意電壓下，以任意順序同時操作。此特性讓隔離器能夠執行 2.5 V、3.3 V、5 V 邏輯等電壓轉換。

ADuM34xE 效能特性的細微差別

ADuM34xE 隔離器具有高隔離電壓、高速度、低功率、低傳播延遲，可直接套用，但其架構有更多細微優勢，能讓設計人員加以利用。例如，總功耗與工作頻率成比例，而功率需求與元件運作速度大致上成正比。因此，閒置的通道或者以非常低的速度切換的通道消耗的電量非常小。相較於其他隔離技術，其功耗相對降低一到兩個數量級。

此外，一旦設計人員確定應用的最大序列時脈速率，就可以選擇相關的隔離電源供應器，提供足夠的電流以支援該速率，便無需超出隔離器的最大值。

時序和傳播延遲在高速序列鏈路中極其重要，請注意，數位隔離器的效能不會隨著時間和溫度的變化而降額或變化。在低訊號速率下，抖動不是什麼大問題，因為與波形週期相比，其誤差較小，但在較高的資料速率下，時序抖動會佔訊號間隔的極大部分。選擇抖動最低的隔離器，可以提高隔離電路的訊噪比 (SNR) 和效率。

由於 iCoupler 架構具備這些特性，其元件規格書定義在 -40°C 至 +125°C 的完整工作溫度範圍內保證的最小和最大功耗、傳播延遲、脈衝失真規格。設計人員有了這些完整的規格，便可簡化與最壞情況系統效能相關的計算。

運用數位隔離器在傳播延遲 (最大 10 ns) (圖 5)、偏斜和通道間匹配的相關保證數據，可以如同其他數位 IC，對頂層系統時序規格進行建模和評估。

圖 5：iCoupler 技術在全工作溫度範圍內達到低於 10 ns，超低且完整特性的傳播延遲 (圖片來源：Analog Devices)

共模瞬態耐受性 (CMTI) 是一項鮮為人知且容易被忽略的規格。電動車 (EV) 和油電混合車 (HEV) 充電電路、太陽能系統、馬達驅動器等高壓應用，會不斷進行切換，引入振鈴和雜訊等共模暫態。ADuM34xE 元件的隔離技術係利用背對背中心抽頭變壓器架構，針對隔離屏障兩側的雜訊，提供低阻抗接地路徑。如此可達到 100 kV/µs (最低) 的 CMTI 額定值，明顯增強隔離訊號的完整性。

對於熟悉磁學的設計人員而言，可能會擔心這些隔離器會受到磁干擾，進而破壞隔離屏障上的傳輸脈衝，導致錯誤。其實無須擔憂，因為變壓器的半徑小且有空芯，因此需要極大的磁場或非常高的頻率，才會導致故障。在距離元件僅 5 mm 的電線中，1 MHz 的 500 A 電流不會對數位隔離器產生影響。

評估數位隔離器

儘管這些隔離器的功能很直覺，但運用時還是需要注意細節 (如電路板佈局)，以確保其高壓隔離能力和高速作業不會折衷。

Analog Devices 提供 EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler 數位隔離器介面評估板 (圖 6)，有助於設計人員使用和評估這些元件。此板上針對各隔離器提供位置和佈局，此外，還有第四個未指定的位置。此板的每個組件 (U1 至 U4) 之間都有 V 形凹槽，允許使用者將板分成幾個部分，以便在試驗電路板或類似的測試板件上檢驗特定元件。

圖 6：EVAL-ADuM34XEEBZ 評估板支援所有三款 ADuM34xE 元件，並留有開放位置，供使用者加入引腳相容的元件 (圖片來源：Analog Devices)

EVAL-ADuM34XEEBZ 板遵循適當的印刷電路板 (PCB) 設計實務，包括在隔離屏障兩側具有一個接地平面。若要使用此板件評估 iCoupler 元件，僅需一個示波器、一個訊號產生器，以及一個 2.25 V 至 5.5 V 電源供應器。

結論

許多設計都需要隔離功能，以維持訊號完整性、確保使用者和裝置安全，並且滿足監管要求。Analog Devices 的 i Coupler 磁耦合技術架構數位隔離元件，是易用且可靠的高速解決方案。其核心規格包括在時間和溫度變化下有最低降額，因此可確保卓越的長期效能。