纳芯微数字隔离器：系统和人身安全的隐形守护者

　　要说电路设计有什么需要投入100%关注度，那一定要包含隔离器。

　　隔离本身并不具备特别的计算、处理或转换能力，但是其发展却与工业、汽车、医疗、家用电子等发展息息相关。它的高可靠性和高性能是系统安全的保护神，所以千万不要在你的电路设计中忽略了隔离。

　　隔离，隐形的守护者

　　可不要觉得隔离是老生常谈的问题，它关乎着电路的安全，也关乎着人身安全。

　　简单来说，电子设备中，执行系统与控制系统间电压不同，一个是数百伏交流，一个是低压直流，就和生活中，我们会把低压和高压隔离开来一个道理，高压系统往往会更容易出现静电放电、射频、开关脉冲和电源扰动，引起电压浪涌，这比许多电子元件的电压极限高出一千倍。最重要的是，这些高压除了给电子电路带来噪音和危害之外，更可能对人体造成危害。

　　举一个简单的例子，电动汽车内电池电压可达400V，甚至是800V，但驾驶员依然可以从容且安全地操作各类设备、仪表和旋钮，这离不开各种形式的隔离，它们构建了高低压之间安全可靠的联系。

　　既然影响深远，用什么隔离就显得尤为重要。

　　自从电力为人所用开始，人们就渴望安全可靠的电力控制手段。19世纪30年代，美国物理学家约瑟夫·亨利在研究电路控制时，利用电磁感应现象发明了电磁继电器。利用电磁铁在通电和断电下磁力产生和消失的现象，来控制高电压高电流的另一电路开合，它的出现实现了电路远程控制和保护。

　　利用一节干电池控制电磁铁，就可以驱动220V交流电，实现安全的控制(或信息传输)，有种四两拨千斤的感觉。这种简单的步骤就是隔离的本质，即两个不相干的彼此绝缘的电路间，通过某种方式实现关联。

　　不过，电磁继电器的劣势显而易见，体积大、功耗高、易损坏。

　　为了克服以上缺点，光耦便应运而生，它利用光电转换实现了传输与控制，在芯片级尺寸上实现相类似功能。基于光敏电阻的光隔离器于 1968 年推出，相比于变压器，光耦体积小、重量轻、价格便宜并且可靠性高，迅速成为了市场主流。光耦发展的时代，也是集成电路和信息化发展的时代，低压控制计算单元与大功率的电机、电源之间的交互越来越多，光耦也得以大发展。

　　当然，微电子领域性能、功耗、体积是永远的话题，任何强大的技术也无法脱逃它的束缚。光耦如今也遇到了电磁继电器同样的问题，受限于激光器和光敏二极管，其尺寸、功耗、可靠性等都都失去了优势。

　　随着半导体技术的发展，数字隔离器成了冉冉升起的新星。

　　数字隔离器的爱恨情愁

　　数字隔离器并不难理解，它和光耦类似，只不过是将光电转换调制变成了其它技术。不过，相比而言，数字隔离器不会出现光学衰减等现象，与光耦不同，凭借半导体技术，数字隔离器拥有诸多优势，包括开关特性好、不易老化、高可靠性、高耐压、高速率、可传输能量等。

　　数字隔离器根据基本原理又可划分为电容隔离器和磁隔离器。

　　电容隔离顾名思义，是利用芯片内部的微型电容进行芯片左右两侧的高压隔离，中间使用高电介质材料进行电压阻隔。电容器是一种能够存储电荷的元件，它由两个导体板和介质组成，其特性是通高频、阻低频，中间介质可以隔离低频或者直流高压信号。

　　利用电容器通高阻低的特性，可以进行信号的调制传输。当输入一个高低高低的数字信号以后，芯片内部会进行信号调制，高频调制低频信号，使其可以传输到芯片另外一侧。典型的OOK(On Off Key)调制就是把“0、1”两个信号，用不同频率调制，比如高频信号代表1，没有调制的直流信号代表0，然后传输两个状态切换的信号。

　　电容隔离器产品框图及OOK示意图

　　磁隔离器方面，与电容类似，只不过采用线圈的方式，利用电磁变换进行数据传输。

　　总而言之，数字隔离器进一步解决了光耦在可靠性、传输速率、鲁棒性、尺寸、寿命等不足之处。

　　科技领域从来不存在完美，数字隔离器的优势很明显，但总会有一些权衡取舍。

　　首先，由于数字隔离器相对较新，因此其可靠性在不断完善和论证中。伴随相关国际标准、国内标准相继建立，现已形成一整套完善的认证流程和标准，也逐步获得了各类客户的认可。

　　其次，目前光耦依然在业界占有主导地位，尤其是在一些传统应用中。因此，从光耦向数字隔离器的切换并不能一蹴而就，由于数字隔离器引脚和输入类型不完全兼容，这时就需要对设计进行改版，有时客户因为风险考虑，替换意愿不足。也正因此，业界提供了一种原位替代的方案，可以直接替代光耦，引脚兼容，在输入特性上内建电路模拟二极管特性，与光耦器件完全相同，应用设置也相同，可以实现直接进行设计替代。

　　最后，电容隔离器可能会存在共模干扰问题，需要想办法抑制。

　　通常的OOK技术比较直接，进来的信号是什么，就直接进行相应调制，然后在另外一边进行相应的解调。高频调制后，信号和高频共模电路都通过一个路径进行传输，因此会有共模干扰存在，这也是普通电容隔离器的不足之处。

　　正是因为存在上述的问题，所以在挑选器件时才更要格外上心。有几种可以明显提升抗共模干扰能力的方法，以国内隔离器厂商纳芯微为例，其在OOK基础上开发出了Adaptive OOK®调制专利，提升了数字隔离器的抗共模干扰能力。

　　所谓Adaptive其实就是自适应，通过芯片内部共模检测电路检测共模信号状态，再根据检测信号，动态、自适应地调节内部关键电路特性或增益，在共模噪声较大时，可以更好地抑制噪声，从而拥有更好的鲁棒性，提升隔离器的抗共模干扰能力。

　　自适应的另一个好处是不需要在全工作状态下保证较高的抗共模干扰能力，只有当瞬间干扰比较大时，电路才需要执行更多功能以抑制干扰，而在大部分没有恶劣工况、抗共模干扰需求较低情况下，Adaptive OOK®技术则可以平衡系统性能及功耗，从而优化整体表现。

　　让隔离更进一步

　　从数字隔离器细分市场来看，磁隔离器只有少数公司提供，电容隔离器则是更多企业的选择，且出货量增长非常迅速。这里面不乏专利的原因，另外则是由于电容隔离在整个生产制造上相对简单，和一般的非隔离器件的晶圆生产差别不大，从而使得电容隔离在成本上有较大的优势。

　　其次是电容隔离工艺能力的改善，性能也在不断的提升，特别是耐压能力、抗浪涌耐压能力等已经基本与磁隔离一致，使电容隔离同样能够满足丰富场景。

　　就拿纳芯微产品来看，便可印证上述趋势。比如纳芯微第一代的NSI81xx系列是满足基本隔离要求的产品，第二代的NSI82xx系列则满足了增强型隔离的要求，另外在抗共模干扰能力，EMC性能等电气性能方面也得到了强化。据纳芯微透露，其第三代产品还将继续提升耐压性能及鲁棒性。

　　不同的隔离等级介绍

　　电容隔离器其实是“螺蛳壳里做道场”，虽然原理简单，但一些工艺和微架构的优化创新都对整体性能有着非常大的影响。比如从OOK到Adaptive OOK®，这种让数字隔离器“更进一步”的努力，纳芯微还做了很多。

　　首先，在性能上，工艺能力及微架构优化可促进耐压能力不断提高。比如同样是用SiO2高电介质填充，还需要掺杂不同元素来进一步提升耐压能力。另外电容的电场场强分布对隔离的耐压能力也是有较大的影响，因此每一家厂商的电容的结构、形状等微架构设计，都会影响性能。

　　其次，在鲁棒性上，对于隔离产品的应用场合来说，更多的是工业和汽车等高压应用场景，隔离产品是属于安规产品，涉及安全相关，在这些场景下，一定要选择经过安规认证的产品。

　　无论是模拟、接口、信号链等产品，厂商都需要推出不同的产品系列，以满足更多的应用场景，隔离类产品也不例外。通过基础的隔离功能，再结合其他接口、驱动或者采样等相关知识，便可让隔离技术有着更广泛的应用。

　　从应用场景反推出产品定义是产品开发的主要思路，同时也是最主要的挑战，这些围绕应用进行的“隔离+”产品的定义和单纯的数字隔离器并不完全相同。

　　比如隔离驱动，除了要处理数字信号，还要求厂商在具体应用场景中熟悉驱动相关的功率知识、与不同厂商功率管适配。更进一步的是，碳化硅等第三代宽禁带半导体应用对隔离驱动的安全和数据传输有更多要求。

　　而在隔离接口产品中，则需考虑ESD、抗干扰能力等，隔离采样则还额外需要高精度信号链领域的积累。

　　此外，隔离器有时需要与电源共同使用，因此也诞生了集成隔离电源的隔离器。

　　我们看到纳芯微等国内外公司都在不约而同地布局更多隔离产品大类，从单一品类转向“隔离+”拓展策略，为更多产品提供隔离能力。

　　除了产品种类丰富之外，伴随着新应用、新市场越来越多，也让数字隔离器和光耦处在了同一起跑线上。包括电动汽车、光伏、储能中越来越多细分应用领域正在涌现，对于数字隔离器的需求激增，在这些新应用的设计过程中，客户更愿意尝鲜数字隔离器。