数字隔离器在工业电机驱动应用中的优势

隔离器技术传输速率比较

隔离不得给整体系统性能带来任何显著的时序不确定性或时序误差。标准光耦合器的传播延迟为微秒级，可能因器件而异，因温度和寿命而异。光耦合器技术在时序性能方面存在一些根本的不足，而现代数字隔离器采用完全不同的运算原则，其速率也更高。

可以在有所折衷的情况下增加光耦合器的速率。光耦合器的工作原理是，将来自LED的光发送至一种光学透明的隔离材料，并用另一端的光电二极管检测光。光耦合器的速度与光电二极管检波器的速率以及为其二极管电容充电的时间直接相关。减少传播延迟的一种方法是增加发射的光量。通过提高LED电流，可以使延迟减少2或3倍，但其代价是设备功耗会增加，每个数据通道最高将达50 mW。

提高速度的另一种办法是通过使用更薄的隔离栅来减少光传输损耗。为了维持相同的隔离能力，需要增加一层材料，但代价是成本也将增高。更快的光耦合器比标准的低成本光耦合器要贵许多倍。

相反，数字隔离器则是采用标准的高速CMOS工艺，并搭载隔离式片内微变压器。其传输速率自然比光耦合器快很多。较高的速度是电路和设计与生俱来的特点，不需要更复杂、成本更高的隔离材料也可实现更高的速度。变压器可以以最高150 Mbps的传输速率传递数据，传播延迟低至32 ns，功耗<5 mW，开关速率为25 kHz或以上。速度更快的另一个好处是，通道间的匹配优于5 ns，比标准光耦合器高出了一个数量级，仅以大约一半的单位通道成本即可实现比光耦合器快3至4倍的卓越性能。

隔离的抗噪性

在电机驱动系统中，隔离还提供了一个分离噪声源的机会，方法是以电流方式将噪声从功率开关电路和控制电路之中隔离开来。以下各项之间有安全隔离需求：高压总线、线路电压和用户界面，以同时保护人、保护其他设备。还需要在功能上使高端开关和低端开关与控制电路相隔离。隔离元件必须能提供必要的隔离，同时也需对嘈杂环境不敏感。

衡量隔离器分离地域之间高速噪声的能力的指标一般称为共模瞬变抗扰度(CMTI)。CMTI旨在衡量一个隔离器在隔离器数据通信不被噪声打断的情况下，对隔离栅中的电压噪声的抑制能力。其单位是kV/μs瞬变。


图2. 光耦合器内部结构。


图3. 基于变压器的数字隔离器的结构。

电压瞬变噪声跨越隔离栅的路径一般是寄生电容跨过隔离器中的隔离栅。光耦合器的CMTI一般较差，为15 kV/μs。一些现代数字隔离器采用电容耦合数据隔离技术，其信号和共模噪声使用同一路径。基于变压器的隔离器(如ADI的iCoupler数字隔离器)的信号路径不同于噪声路径，其CMTI的值一般为50 kV/μs或以上。

隔离材料和可靠性

数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造，仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化，导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性，并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础，作为高压绝缘体具有悠久的历史。