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在电子元件领域，很少有创新能像数字隔离器那样产生如此深远影响，这些专用组件彻底改变了数字电路内信号传输和保护的方式，显著提高了各行业电子设备的性能和可靠性。让我们深入了解下数字隔离器的基本原理、探索其重要性及其应用吧！
数字隔离器工作原理
数字隔离器系列产品采用全差分隔离电容技术。由 SiO2构成的高压隔离电容为不同的电压域之间提供可靠的绝缘屏障，并提供可靠的高频信号传输路径。为保证稳定的数据传输质量，引入开关键控(OOK)调制解调技术。图1为一款数字电容隔离器（DCI）的内部功能示意图。该隔离器输入分为两个差分信号路径：上半部分为低速通道——DC-通道，下半部分为高速通道——AC-通道。AC-通道传输介于100 kbps和100 Mbps之间的信号，而DC-通道则涵盖了从100kbps以下的范围。
图1 数字电容隔离器示意图
图2左侧显示了一个单通道、电容隔离器的内部简化结构图。从内部来看，隔离器由两个部分组成：发送器和接收机。实际隔离层由接收机芯片上的高压电容器提供。由于AC-通道和DC-通道均使用同一种差分信号技术抑制数据传输期间的高噪声，因此必需要有4个隔离电容器来形成一条单隔离数据通道。
图2 单通道电容隔离器的内部结构
图2右侧为一个高压电容器的横截面示意图。从发送器芯片出来的接合线连接到接收机端电容器铝顶板，底板（也为铝质）连接到接收机逻辑。板之间是夹层电介质，其为16-μm厚的SiO2。使用SiO2作为夹层电介质有两个好处：一、使用常规半导体制造技术就可以处理SiO2，从而大大降低了生产成本；二、它是具有最小老化效应且最稳定的隔离材料之一，因此电容隔离器的预计寿命远远超过其他技术。
隔离器使用寿命
隔离器的使用寿命主要取决于所用材料及其厚度。由于制造带来的杂质和不完整性缺陷，电介质会随时间而退化，这种退化会由于电介质上施加的电场及其温度的上升而加快。其中预计使用寿命是基于TDDB E电介质击穿模型来确定。
实际上，周围温度维持在150℃时，TDDB由隔离器的施加应力电压决定（请参见图3）。测试之初便激活一个计时器，其在隔离器电流超出1mA时停止，表明电介质击穿。记录每个测试电压的故障时间，并根据理论E模型曲线进行绘图。
图3 TDDB测试方法
图4 E模型曲线
下图所示的TDDB曲线表明，电容隔离器的测试数据完全匹配 E模型预测，从而得出在2000Vrms工作电压下20年的预计使用寿命。
图5 隔离器的预计使用寿命曲线图
若要达到10到30年的工业预计使用寿命，目前使用SiO2电介质的电容隔离器是实现这个目标唯一可行的解决方案。
数字隔离器抗扰度——CMTI
CMTI即Common Mode Transient Immunity。CMT共模瞬变抗扰度，是指对施加在隔离电路中的高速瞬变共模电压上升时（或下降）容许的速率dv/dt，通常以KV/us表示。上升斜率越快引起的干扰冲击就越大，衡量隔离器件在共模瞬变时依然能够正常传输信号的能力。如图六所示，为数字隔离器CMTI测试模型框图。
图六: CMTI测试模型
在电机驱动等典型应用中，使用PWM脉宽控制栅极驱动MOSFET进而驱动电机。MOS FET等功率器件往往工作在硬开关状态下，若使用普通的硅MOSFET，产生的电压跳变(dV/dt)干扰通常在40kV/ μs以内，大多数的隔离产品CMTI都可以满足该需求。而同样参数的碳化硅/氮化镓器件，开关速度更快，特别是下降沿时会更加恶劣，如下是模拟CMTI下降沿测试电路：
图七：CMTI下降沿测试电路
在使用碳化硅MOS FET时，所产生共模干扰的最大下降斜率会达到200kV/μs，因此要求隔离产品具备200kV/μs以上CMTI能力。
图八：CMTI下降沿测试波形
如果隔离产品的CMTI能力不够，dV/dt干扰会对低压侧控制信号造成很大的影响。一旦产生误脉冲，严重情况下会导致桥臂直通，引发短路，造成严重的产品失效事故。随着新能源的普及，越来越多的场景使用碳化硅/氮化镓器件，提高隔离产品的CMTI能力迫在眉睫。
数字隔离器设计建议
为了保持隔离等级，隔离器件下方的空间应避免布线、过孔和平面。如果某应用不需要高压保护，仅需要接地隔离或比数字隔离器更低的隔离等级，则隔离器件下方可以出现布线、过孔或平面，但要注意符合爬电距离/电气间隙要求，也可使用凹槽和切口来增加爬电距离。下图是某款数字隔离器的示例布局示意图：
总 结
总体来说，隔离器就是用于隔离电路之间的信号干扰，提高系统的稳定性和安全性。光耦过去是用来隔离电路的，然而，随着CMOS技术的进步，数字隔离器已成为隔离的首选技术。
思瑞浦公司简介
思瑞浦秉承独立开发、自主创新的理念，凭借在隔离产品领域的创新技术和优势资源，集聚了丰富的技术发明专利，包括基础隔离、传输电路、工艺优化、新型封装等。截至目前，已推出数字隔离器、隔离接口、隔离采样、隔离驱动等多个产品系列，获得市场与客户的一致认可与好评。同时思瑞浦汽车级隔离产品均通过第三方AEC-Q100可靠性认证。
思瑞浦隔离产品矩阵
思瑞浦隔离产品具备±200kV/ μs的静态CMTI, 动态CMTI也高达±150kV/ μs具备高隔离电压，高抗冲击能力，相关技术指标处于国内领先、国际先进水平，可以满足绝大多数工业应用场景的可靠性需求。特别适合 碳化硅/氮化镓的应用在新能源、工厂自动化、电力自动化、电机驱动、电源控制、医疗等场景下。保留足够的设计余量， 提高系统的鲁棒性！
思瑞浦拥有隔离品专用TDDB实验室
思瑞浦建立了专门针对隔离产品的TDDB实验室，实验室内运行的是思瑞浦自主开发的高压TDDB测试系统，可以实现 7*24小时不间断地全自动TDDB测试，可以针对隔离产品进行 长达数月甚至更长的TDDB测试。
思瑞浦TDDB实验室
思瑞浦可提供全系列安规认证VDE、TÜV、UL、CSA、CQC、CB
为了满足全球不同国家和地区客户的需求，思瑞浦所有隔离产品（工业级和汽车级）可同时提供全系列安规认证：VDE、TÜV、UL、CSA、CQC、CB。UL和CSA主要针对北美，包括美国和加拿大地区的客户和出口北美的产品；CQC是中国地区的安规认证证书；IEC CB则为国际通用的安规认证证书。VDE和TÜV主要针对欧洲地区客户以及出口欧洲的产品。
3PEAK隔离产品选型表
3PEAK数字隔离器命名规则
