ISO7021：超低功耗雙通道數(shù)字隔離器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，數(shù)字隔離器是保障系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵組件。今天，我們就來(lái)深入探討一款性能卓越的超低功耗雙通道數(shù)字隔離器——ISO7021。

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一、ISO7021的突出特性

1. 超低功耗

ISO7021在功耗方面表現(xiàn)堪稱出色。每通道靜態(tài)電流低至4.8μA（3.3V），在不同數(shù)據(jù)速率下，功耗也控制得非常理想。例如，在100kbps時(shí)每通道為15μA（3.3V），1Mbps時(shí)每通道為120μA（3.3V）。如此低的功耗，使得它在對(duì)功耗要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景中如魚得水，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，降低能源消耗。

2. 強(qiáng)大的隔離屏障

該隔離器擁有超過(guò)100年的預(yù)計(jì)使用壽命，隔離額定值達(dá)到3000 VRMS，典型共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）為±100kV/μs。這意味著它能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，可靠地隔離信號(hào)，防止干擾和噪聲的傳播，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 寬工作范圍

• 電源范圍：支持1.71V至1.89V以及2.25V至5.5V的寬電源范圍，這使得它在不同的電源系統(tǒng)中都能穩(wěn)定工作，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。
• 溫度范圍：可在 -55°C至125°C的寬溫度范圍內(nèi)正常工作，適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境，確保設(shè)備在極端條件下也能可靠運(yùn)行。

4. 小巧封裝與高信號(hào)速率

采用小型8 - SOIC封裝（8 - D），節(jié)省了電路板空間，適合小型化設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，其信號(hào)速率高達(dá)4Mbps，能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

5. 豐富的輸出選項(xiàng)與電磁兼容性

提供默認(rèn)輸出高（ISO7021）和低（ISO7021F）兩種選項(xiàng)，方便工程師根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。并且具備強(qiáng)大的電磁兼容性（EMC），在系統(tǒng)級(jí)靜電放電（ESD）、電氣快速瞬變（EFT）和浪涌方面具有出色的抗干擾能力，同時(shí)輻射極低，符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

6. 安全認(rèn)證齊全

通過(guò)了多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）、UL 1577組件認(rèn)可計(jì)劃、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1和GB 4943.1等，以及IECEx（IEC 60079 - 0 & IEC 60079 - 11）和ATEX（EN IEC60079 - 0 & EN 60079 - 11）認(rèn)證，為設(shè)備的安全使用提供了可靠保障。

二、ISO7021的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 4mA至20mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)變送器

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，4mA至20mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)變送器廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和監(jiān)測(cè)。ISO7021的超低功耗特性能夠滿足環(huán)路供電的要求，同時(shí)其強(qiáng)大的隔離性能可以有效防止信號(hào)干擾，確保變送器的準(zhǔn)確測(cè)量和可靠傳輸。

2. 工廠自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化

在復(fù)雜的工廠自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中，存在大量的數(shù)字信號(hào)需要隔離傳輸。ISO7021可以用于隔離CMOS或LVCMOS數(shù)字I/O，保障不同設(shè)備之間的信號(hào)安全傳輸，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 低功耗GPIO、UART隔離

在一些對(duì)功耗敏感的嵌入式系統(tǒng)中，需要對(duì)通用輸入輸出（GPIO）和通用異步收發(fā)傳輸器（UART）進(jìn)行隔離。ISO7021憑借其超低功耗和良好的隔離性能，能夠很好地滿足這些需求，同時(shí)不影響系統(tǒng)的整體性能。

三、ISO7021的詳細(xì)描述

1. 工作原理

ISO7021采用基于邊緣編碼的數(shù)據(jù)傳輸方式，結(jié)合開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，通過(guò)二氧化硅隔離屏障傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。發(fā)射器使用高頻載波信號(hào)傳遞數(shù)據(jù)，代表信號(hào)邊緣過(guò)渡；接收器在進(jìn)行先進(jìn)的信號(hào)調(diào)理后對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并通過(guò)緩沖級(jí)產(chǎn)生輸出。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了極低的功耗和高抗干擾能力。

2. 功能特性

• 刷新功能：內(nèi)置刷新功能能夠持續(xù)驗(yàn)證每個(gè)隔離通道的直流輸出狀態(tài)是否與直流輸入狀態(tài)匹配。內(nèi)部看門狗定時(shí)器會(huì)監(jiān)測(cè)各個(gè)輸入的活動(dòng)情況，當(dāng)輸入信號(hào)在超過(guò)100μs內(nèi)沒(méi)有過(guò)渡時(shí)，會(huì)傳輸邏輯狀態(tài)，確保隔離器的輸入和輸出狀態(tài)始終一致。
• 電磁兼容性設(shè)計(jì)：為了適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，ISO7021在電磁兼容性方面進(jìn)行了諸多改進(jìn)。例如，為輸入和輸出信號(hào)引腳以及芯片間鍵合焊盤提供了強(qiáng)大的ESD保護(hù)單元；采用低電阻連接將ESD單元連接到電源和接地引腳；增強(qiáng)了高壓隔離電容器的性能，提高了對(duì)ESD、EFT和浪涌事件的耐受性；使用更大的片上去耦電容器，通過(guò)低阻抗路徑旁路不需要的高能信號(hào)；采用保護(hù)環(huán)將PMOS和NMOS器件相互隔離，避免觸發(fā)寄生可控硅整流器（SCR）；通過(guò)提供純差分內(nèi)部操作，減少了隔離屏障上的共模電流。這些設(shè)計(jì)使得該設(shè)備在無(wú)屏蔽環(huán)境下也能輕松滿足CISPR 22 Class A和CISPR22 Class B標(biāo)準(zhǔn)。

3. 功能模式

四、ISO7021的參數(shù)規(guī)格

1. 絕對(duì)最大額定值

在使用ISO7021時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，以避免對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。例如，電源電壓VCC1至GND1和VCC2至GND2的范圍為 -0.5V至6V，輸入/輸出電壓INx至GNDx和OUTx至GNDx的范圍為 -0.5V至VCCX + 0.5V，輸出電流Io的范圍為 -15mA至15mA，工作結(jié)溫TJ最大為150°C，存儲(chǔ)溫度Tstg范圍為 -65°C至150°C。

2. ESD額定值

該設(shè)備具有良好的靜電放電（ESD）防護(hù)能力，人體模型（HBM）為±6000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±1500V，接觸放電（IEC 61000 - 4 - 2）為±8000V。這使得它在生產(chǎn)和使用過(guò)程中能夠有效抵抗靜電干擾，提高了設(shè)備的可靠性。

3. 推薦工作條件

為了確保ISO7021的最佳性能，建議在特定的工作條件下使用。例如，電源電壓VCC1和VCC2可以獨(dú)立設(shè)置，輸入側(cè)高電平電壓VIH為0.7 x VCCI，低電平電壓VIL為0至0.3 x VCCI，數(shù)據(jù)速率DR范圍為0至4Mbps，環(huán)境溫度TA范圍為 -55°C至125°C。

4. 熱信息

了解ISO7021的熱信息對(duì)于合理設(shè)計(jì)散熱方案至關(guān)重要。其結(jié)到環(huán)境的熱阻RθJA為94.3°C/W，結(jié)到外殼（頂部）的熱阻RθJC(top)為28.6°C/W，結(jié)到電路板的熱阻RθJB為43.6°C/W等。這些參數(shù)可以幫助工程師評(píng)估設(shè)備在不同工作條件下的溫度上升情況，從而采取相應(yīng)的散熱措施。

5. 電氣特性

在不同的電源電壓下，ISO7021具有不同的電氣特性。以5V電源為例，上升輸入開關(guān)閾值VIT+(IN)為0.7 x VCCI，下降輸入開關(guān)閾值VIT-(IN)為0.3 x VCCI，高電平輸出電壓VOH為VCC - 0.4V（IOH = -4mA），低電平輸出電壓VOL為0.4V（IOL = 4mA），輸入閾值電壓滯回V I(HYS)為0.1 x VCCI，高電平輸入電流IIH最大為1μA，低電平輸入電流IIL最小為 -1μA，共模瞬態(tài)抗擾度CMTI為50至100kV/μs，輸入電容Ci為2pF。

6. 供電電流特性

在不同的電源電壓和工作條件下，ISO7021的供電電流也有所不同。以5V電源為例，在直流信號(hào)下，當(dāng)VI = VCC1（ISO7021）或VI = 0V（ISO7021 with F suffix）時(shí)，I CC1和I CC2的典型值為5.9μA，最大值為11.8μA；在交流信號(hào)下，不同數(shù)據(jù)速率下的供電電流也會(huì)相應(yīng)變化。這些數(shù)據(jù)可以幫助工程師準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備的功耗，優(yōu)化電源設(shè)計(jì)。

7. 開關(guān)特性

ISO7021的開關(guān)特性包括傳播延遲時(shí)間tPLH、tPHL，傳播延遲漂移tP(dft)，最小脈沖寬度tUI，脈沖寬度失真PWD，通道間輸出偏斜時(shí)間tsk(o)，器件間偏斜時(shí)間tsk(p - p)，輸出信號(hào)上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf，默認(rèn)輸出延遲時(shí)間tDO，從欠壓鎖定（UVLO）到有效輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間tPU，刷新速率FR等。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估設(shè)備的信號(hào)傳輸速度和準(zhǔn)確性非常重要。

五、ISO7021的應(yīng)用與設(shè)計(jì)建議

1. 典型應(yīng)用示例

以隔離UART為例，ISO7021可以用于實(shí)現(xiàn)UART信號(hào)的隔離傳輸。在溫度場(chǎng)變送器中，通過(guò)ISO7021隔離UART信號(hào)，可以有效防止干擾，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。具體的電路設(shè)計(jì)需要注意電源電壓的選擇（VCC1和VCC2為1.71V至1.89V或2.25V至5.5V），并在VCC1和GND1、VCC2和GND2之間分別連接0.1μF的去耦電容器。

2. 電源供應(yīng)建議

為了確保ISO7021在不同數(shù)據(jù)速率和電源電壓下的可靠運(yùn)行，建議在輸入和輸出電源引腳（VCC1和VCC2）處放置0.1μF的旁路電容器，并盡量靠近電源引腳。如果應(yīng)用中只有一個(gè)初級(jí)側(cè)電源可用，可以使用變壓器驅(qū)動(dòng)器（如SN6501或SN6505A）為次級(jí)側(cè)生成隔離電源。

3. 布局設(shè)計(jì)建議

在PCB設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)低電磁干擾（EMI），建議采用至少四層的電路板設(shè)計(jì)，層疊順序?yàn)楦咚傩盘?hào)層、接地平面、電源平面和低頻信號(hào)層。將高速走線布置在頂層可以避免使用過(guò)孔，減少電感的引入；在高速信號(hào)層旁邊放置實(shí)心接地平面可以建立傳輸線互連的受控阻抗，并為回流電流提供低電感路徑；將電源平面放置在接地平面旁邊可以增加約100pF/in2的高頻旁路電容；將低速控制信號(hào)布置在底層可以提供更大的靈活性。對(duì)于數(shù)字電路板，建議使用標(biāo)準(zhǔn)FR - 4 UL94V - 0印刷電路板，以獲得更好的高頻性能和機(jī)械性能。

六、總結(jié)

ISO7021作為一款超低功耗雙通道數(shù)字隔離器，憑借其卓越的性能、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇ISO7021的型號(hào)和工作條件，并遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)建議，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用ISO7021的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？或者你對(duì)它的應(yīng)用有什么獨(dú)特的見(jiàn)解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流！