深入解析 ISOW774x：一款高性能四通道數(shù)字隔離器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)字隔離器是保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入剖析 Texas Instruments 推出的 ISOW774x 系列四通道數(shù)字隔離器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)，以及在實(shí)際應(yīng)用中如何發(fā)揮作用。

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特性亮點(diǎn)

高速數(shù)據(jù)傳輸

ISOW774x 具備高達(dá) 100 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足大多數(shù)高速數(shù)據(jù)通信的需求。無論是工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)控制還是醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，都能保證數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳輸。

集成低排放、低噪聲 DC - DC 轉(zhuǎn)換器

這是該系列產(chǎn)品的一大特色。集成的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器具有低排放、低噪聲的特點(diǎn)，發(fā)射優(yōu)化后能在 2 層板上滿足 CISPR 32 和 EN 55032 Class B 標(biāo)準(zhǔn)，且有 >5 dB 的余量。其 25 MHz 的低頻功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了低噪聲性能，輸出紋波低至 24 mV。同時(shí)，在最大負(fù)載下效率可達(dá) 46%，最高能提供 0.55 - W 的輸出功率，(VISOOUT) 精度為 5%，還能根據(jù)不同的輸入輸出組合提供不同的最大負(fù)載電流，如 5 V 轉(zhuǎn) 5 V 時(shí)最大負(fù)載電流為 110 mA。

獨(dú)立電源與寬電壓范圍

通道隔離器和功率轉(zhuǎn)換器采用獨(dú)立電源供電。邏輯電源 ((V{IO})) 支持 1.71 - V 到 5.5 - V 的電壓范圍，功率轉(zhuǎn)換器電源 ((V{DD})) 支持 3 - V 到 5.5 - V 的電壓范圍，這使得它在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

強(qiáng)大的電磁兼容性（EMC）

在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，ISOW774x 表現(xiàn)出色。它具有系統(tǒng)級(jí)的 ESD、EFT 和浪涌抗擾能力，跨隔離屏障有 ±8 kV IEC 61000 - 4 - 2 接觸放電保護(hù)。同時(shí)，提供增強(qiáng)和基本隔離選項(xiàng)，典型 CMTI 高達(dá) 100 kV/μs，確保在電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境中也能穩(wěn)定工作。

豐富的安全認(rèn)證

該系列產(chǎn)品通過了多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如 VDE 增強(qiáng)和基本絕緣認(rèn)證（符合 DIN VDE V 0884 - 11:2017 - 01 標(biāo)準(zhǔn)）、UL 1577 組件認(rèn)證計(jì)劃、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1、IEC 60601 - 1 和 GB 4943.1 - 2011 認(rèn)證等，為產(chǎn)品的安全性提供了可靠保障。

寬溫度范圍與標(biāo)準(zhǔn)封裝

工作溫度范圍為 –40°C 到 +125°C，能適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。采用 20 引腳寬體 SOIC 封裝，便于在 PCB 上進(jìn)行布局和焊接。

應(yīng)用場(chǎng)景

工廠自動(dòng)化

在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，需要對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸，以避免不同電路之間的干擾。ISOW774x 的高速數(shù)據(jù)傳輸和高電磁兼容性，使其能夠可靠地隔離和傳輸傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備的數(shù)據(jù)，確保自動(dòng)化生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。

電機(jī)控制

電機(jī)控制過程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾，可能會(huì)影響控制信號(hào)的準(zhǔn)確性。ISOW774x 可以有效地隔離控制信號(hào)和功率電路，提高電機(jī)控制的精度和可靠性，同時(shí)保護(hù)控制系統(tǒng)免受電機(jī)干擾的影響。

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施

電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，存在大量的高壓、高電磁干擾。ISOW774x 的增強(qiáng)隔離性能和高 CMTI 能夠滿足電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中信號(hào)隔離和傳輸?shù)囊螅Ｕ?a target="_blank">電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

醫(yī)療設(shè)備

醫(yī)療設(shè)備對(duì)安全性和可靠性要求極高。ISOW774x 的多項(xiàng)安全認(rèn)證使其能夠在醫(yī)療設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，如隔離醫(yī)療傳感器與處理電路，確?；颊吆驮O(shè)備的安全。

測(cè)試與測(cè)量

在測(cè)試與測(cè)量設(shè)備中，需要準(zhǔn)確地采集和傳輸信號(hào)。ISOW774x 的高精度和低噪聲特性，能夠保證信號(hào)的準(zhǔn)確采集和傳輸，提高測(cè)試與測(cè)量的精度。

詳細(xì)設(shè)計(jì)解析

電源隔離

集成的隔離式 DC - DC 轉(zhuǎn)換器采用先進(jìn)的電路和片上布局技術(shù)，降低了輻射發(fā)射，典型效率高達(dá) 46%。集成變壓器使用薄膜聚合物作為絕緣屏障，通過 (VSEL) 引腳可以將功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓控制在 3.3 V 或 5 V。同時(shí)，DC - DC 轉(zhuǎn)換器可以通過 EN/FLT 引腳關(guān)閉以節(jié)省功率。輸出電壓 (VISOOUT) 會(huì)被監(jiān)控，并通過專用隔離通道將反饋信息傳輸?shù)匠跫?jí)側(cè)。為了確保 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)，(VISOOUT) 需要連接到 (VISOIN) ，可以直接連接或通過一個(gè)始終通電的 LDO 連接，并且建議在 (VISOOUT) 和 (VISOIN) 之間使用鐵氧體磁珠以進(jìn)一步降低發(fā)射。

信號(hào)隔離

集成的信號(hào)隔離通道采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，通過基于二氧化硅的隔離屏障傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。發(fā)射器通過屏障發(fā)送高頻載波來表示一種狀態(tài)，不發(fā)送信號(hào)表示另一種狀態(tài)。接收器在信號(hào)調(diào)理后解調(diào)信號(hào)，并通過緩沖級(jí)產(chǎn)生輸出。信號(hào)隔離通道采用了先進(jìn)的電路技術(shù)，以最大化 CMTI 性能，并最小化高頻載波和 IO 緩沖器開關(guān)產(chǎn)生的輻射發(fā)射。為了避免功率轉(zhuǎn)換器的噪聲耦合到信號(hào)路徑，功率轉(zhuǎn)換器（(V{DD})）和信號(hào)路徑（(V{IO})）的電源在一側(cè)保持分開，同樣在另一側(cè)，功率轉(zhuǎn)換器輸出（(VISOOUT)）需要在 PCB 上外部連接到 (VISOIN) 。通過在 (VISOOUT) 和 (VISOIN) 以及 GND2 引腳之間放置鐵氧體磁珠，可以進(jìn)一步改善發(fā)射性能。

電磁兼容性（EMC）考慮

ISOW774x 器件采用了多種發(fā)射降低方案，如降低內(nèi)部振蕩器的發(fā)射和先進(jìn)的內(nèi)部布局方案，以最小化系統(tǒng)級(jí)的輻射發(fā)射。同時(shí)，它還采用了許多芯片級(jí)設(shè)計(jì)改進(jìn)，以提高整體系統(tǒng)的魯棒性，包括強(qiáng)大的 ESD 保護(hù)單元、低電阻的 ESD 單元連接、增強(qiáng)的高壓隔離電容性能、更大的片上去耦電容、PMOS 和 NMOS 器件的隔離、減少共模電流以及降低功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率等。

電源上電和掉電行為

ISOW774x 器件在 (V{IO})、(V{DD}) 和 (VISOIN) 電源上內(nèi)置了具有正、負(fù)閾值和滯后的欠壓鎖定（UVLO）功能。電源轉(zhuǎn)換器電源（(V{DD})）和邏輯電源（(V{IO})）都需要存在才能使器件正常工作。當(dāng) (V{DD}) 電壓在通電期間超過正 UVLO 閾值時(shí)，DC - DC 轉(zhuǎn)換器初始化，功率轉(zhuǎn)換器占空比以受控方式增加，這種軟啟動(dòng)方案限制了從 (V{DD}) 電源汲取的初級(jí)峰值電流，并以受控方式對(duì) (VISOOUT) 輸出充電，避免過沖。在 (V{IO}) 或 (V{DD}) 電壓超過正 UVLO 閾值之前，隔離數(shù)據(jù)通道的輸出處于不確定狀態(tài)。當(dāng)次級(jí)側(cè) (VISOOUT) 引腳的 UVLO 正閾值被超過時(shí)，反饋數(shù)據(jù)通道開始向初級(jí)控制器提供反饋，調(diào)節(jié)環(huán)路接管，隔離數(shù)據(jù)通道進(jìn)入由相應(yīng)輸入通道或其默認(rèn)狀態(tài)定義的正常狀態(tài)。當(dāng) (V{IO}) 或 (V{DD}) 電源丟失時(shí)，初級(jí)側(cè) DC - DC 控制器在達(dá)到 UVLO 下限閾值時(shí)關(guān)閉，(VISOOUT) 電容隨后根據(jù)外部負(fù)載放電。在 (VISOIN) 電壓放電至零的短暫時(shí)間內(nèi)，(VISOIN) 側(cè)的隔離數(shù)據(jù)輸出返回默認(rèn)狀態(tài)。

保護(hù)特性

ISOW774x 器件具有多種保護(hù)特性，以創(chuàng)建強(qiáng)大的系統(tǒng)級(jí)解決方案。

• Enable DC - DC / FAULT 保護(hù)（EN/FLT）：該引腳既可以用作輸入引腳來啟用或禁用集成的 DC - DC 功率轉(zhuǎn)換器，也可以用作輸出引腳。當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障（如 (V{DD}>7 ~V)、(V{DD}<2.5) V 或結(jié)溫 (>170^{circ }C)）時(shí)，該引腳會(huì)變?yōu)榈碗娖剑瑥亩?DC - DC 轉(zhuǎn)換器以防止損壞。
• 過壓鉗位：在 (VISOOUT) 上具有過壓鉗位功能，當(dāng) VSEL = (VISOOUT) 時(shí)，電壓會(huì)鉗位在 6 V；當(dāng) VSEL = GND2 時(shí)，電壓會(huì)鉗位在 4 V。
• 過壓鎖定：當(dāng) (V_{DD}) 上的電壓高于 7 V 時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，EN/FLT 引腳會(huì)變?yōu)榈碗娖健?/li>
• 輸出過載和短路保護(hù)：當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器無法提供所需電流時(shí)，輸出電壓開始下降。對(duì)于 (VISOOUT) 接地短路情況，轉(zhuǎn)換器的占空比會(huì)受到限制，以防止損壞。
• 熱保護(hù)：當(dāng)器件溫度超過 165°C 時(shí)，熱關(guān)斷功能會(huì)激活，初級(jí)控制器關(guān)閉，停止向 (VISOOUT) 負(fù)載供電，使器件冷卻。當(dāng)結(jié)溫低于 150°C 時(shí)，器件恢復(fù)正常工作。

設(shè)計(jì)建議

電源供應(yīng)

為了確保在數(shù)據(jù)速率和電源電壓下的可靠運(yùn)行，必須在電源引腳附近放置足夠的去耦電容。(VISOOUT) 需要連接到 (VISOIN) ，以確保反饋通道正常工作，調(diào)節(jié) DC - DC 轉(zhuǎn)換器?？梢酝ㄟ^直接連接鐵氧體磁珠或通過始終通電的 LDO 連接。輸入電源（(VIO) 和 (V_{DD})）必須具有足夠的電流額定值，以支持輸出負(fù)載和最終應(yīng)用所需的最大數(shù)據(jù)速率下的開關(guān)操作。對(duì)于 110 mA 的輸出負(fù)載電流，建議輸入電流限制 >600 mA，對(duì)于較低的輸出負(fù)載電流，輸入電流限制可以成比例降低。

PCB 布局

采用低成本的兩層 PCB 通常足以實(shí)現(xiàn)良好的 EMC 性能。高速走線應(yīng)布置在頂層，避免使用過孔，以實(shí)現(xiàn)隔離器與數(shù)據(jù)鏈路的發(fā)射器和接收器電路之間的干凈互連。在高速信號(hào)層旁邊放置一個(gè)實(shí)心接地平面，為傳輸線互連建立受控阻抗，并為返回電流提供低電感路徑。將電源平面放置在接地平面旁邊，可創(chuàng)建約 (100 pF / in^{2}) 的額外高頻旁路電容。低速控制信號(hào)可以布置在底層，以提供更大的靈活性。如果需要額外的電源電壓平面或信號(hào)層，可以添加第二個(gè)電源或接地平面系統(tǒng)，以保持堆棧對(duì)稱，增加高頻旁路電容。由于器件沒有散熱墊，熱量通過 GND 引腳散發(fā)，因此要確保 GND 引腳上有足夠的銅面積，以防止器件內(nèi)部結(jié)溫過高。同時(shí)，要遵循特定的布局規(guī)則，如在 (V{DD}) 和 (VISOOUT) 引腳附近放置高頻旁路電容、在電源轉(zhuǎn)換器輸入和輸出引腳放置大容量電容、確保 (V{DD}) 和 GND1 以及 (VISOOUT) 和 GND2 的走線對(duì)稱、在 (VISOOUT) 和 GND2 路徑上放置鐵氧體磁珠等。

總結(jié)

ISOW774x 系列四通道數(shù)字隔離器憑借其高速數(shù)據(jù)傳輸、集成的低排放低噪聲 DC - DC 轉(zhuǎn)換器、強(qiáng)大的電磁兼容性、豐富的安全認(rèn)證以及多種保護(hù)特性，在工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)控制、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備和測(cè)試測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過程中，合理的電源供應(yīng)和 PCB 布局是確保其性能的關(guān)鍵。希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用 ISOW774x 系列產(chǎn)品。你在實(shí)際應(yīng)用中是否使用過類似的數(shù)字隔離器？遇到過哪些問題？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。