探索ISO71xx系列數(shù)字隔離器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程師的日常工作中，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，我們就來深入探討一下TI的ISO71xx系列數(shù)字隔離器（ISO7131CC、ISO7140CC、ISO7140FCC、ISO7141CC、ISO7141FCC），了解它們的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)。

文件下載：iso7140fcc.pdf

一、ISO71xx系列數(shù)字隔離器特性剖析

高性能信號(hào)傳輸

ISO71xx系列數(shù)字隔離器具備出色的信號(hào)傳輸能力。它的最大信號(hào)傳輸速率可達(dá)50 Mbps（采用5 - V電源時(shí)），能滿足大多數(shù)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用需求。并且在不同電源電壓下，都能保持較高的信號(hào)傳輸性能，如使用3.3 - V或2.7 - V電源時(shí)，最大數(shù)據(jù)速率也能達(dá)到40 Mbps。

低功耗設(shè)計(jì)

在功耗方面，該系列產(chǎn)品表現(xiàn)卓越。以典型的每通道 (I_{CC}) （采用3.3 - V電源）為例，ISO7131在1 Mbps時(shí)僅為1.5 mA，25 Mbps時(shí)為2.6 mA；ISO7140在1 Mbps時(shí)為1 mA，25 Mbps時(shí)為2.3 mA；ISO7141在1 Mbps時(shí)為1.3 mA，25 Mbps時(shí)為2.6 mA。這種低功耗特性使得該系列產(chǎn)品在節(jié)能型應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

抗干擾能力強(qiáng)

產(chǎn)品采用了穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，集成了噪聲濾波器，能夠有效抵抗外界噪聲干擾。同時(shí)，具備50 - kV/μs的典型瞬態(tài)抗擾度，可確保在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。

寬溫度范圍適應(yīng)

其工作溫度范圍為 –40°C到125°C，能適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)和戶外環(huán)境，為不同場(chǎng)景的應(yīng)用提供了保障。

高安全性與可靠性

ISO71xx系列數(shù)字隔離器滿足多項(xiàng)安全和法規(guī)認(rèn)證。例如，根據(jù)UL 1577標(biāo)準(zhǔn)，可提供1分鐘2500 (V{RMS}) 的隔離；依據(jù)DIN V VDE V 0884 - 10:2006 - 12標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)4242 - (V{PK}) 的隔離，工作電壓為566 (V_{PK}) ，還通過了CSA、IEC、CQC等多項(xiàng)認(rèn)證，確保了產(chǎn)品在安全方面的可靠性。

二、ISO71xx系列數(shù)字隔離器的應(yīng)用領(lǐng)域

通用隔離應(yīng)用

該系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于各種需要進(jìn)行電氣隔離的場(chǎng)景，如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線（包括Profibus、Modbus?、DeviceNet數(shù)據(jù)總線）、RS - 232、RS - 485以及串行外設(shè)接口等。它能夠有效防止噪聲電流進(jìn)入本地接地，保護(hù)敏感電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在過程控制中，ISO71xx與TI的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器和混合信號(hào)微控制器相結(jié)合，可構(gòu)建先進(jìn)的隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過隔離不同電路模塊，避免了相互之間的干擾，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。

隔離RS - 485接口

在RS - 485通信中，使用ISO71xx系列數(shù)字隔離器可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，防止不同設(shè)備之間的接地電位差對(duì)通信造成影響，增強(qiáng)通信的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

三、產(chǎn)品詳細(xì)描述與原理

工作原理

ISO71xx系列數(shù)字隔離器基于電容隔離屏障技術(shù)。其I/O通道由兩個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)通道組成：一個(gè)是帶寬從100 kbps到150 Mbps的高頻通道（HF），另一個(gè)是覆蓋從100 kbps到DC范圍的低頻通道（LF）。當(dāng)輸入信號(hào)為低頻時(shí)，會(huì)對(duì)其進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM），以使其能夠通過電容隔離屏障，然后通過低通濾波器（LPF）去除高頻載波，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

功能模式

產(chǎn)品具有多種功能模式，通過不同的電源狀態(tài)（ (V{CCI}) 和 (V{CCO}) ）、輸入狀態(tài)（INx）和輸出使能狀態(tài)（ENx）的組合，可實(shí)現(xiàn)不同的輸出狀態(tài)（OUTx）。例如，當(dāng)輸入側(cè)和輸出側(cè)電源都上電，輸入為高電平，輸出使能為高電平或開路時(shí)，輸出為高電平。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與建議

電源設(shè)計(jì)

為確保在所有數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，建議在輸入和輸出電源引腳（ (V{CC 1}) 和 (V{CC 2}) ）處添加0.1 - μF的旁路電容，并盡量靠近電源引腳放置。如果應(yīng)用中只有單個(gè)初級(jí)側(cè)電源，可借助變壓器驅(qū)動(dòng)器（如TI的SN6501）為次級(jí)側(cè)生成隔離電源。

PCB布局設(shè)計(jì)

在PCB布局方面，為實(shí)現(xiàn)低EMI設(shè)計(jì)，建議采用至少四層的PCB板。層疊順序應(yīng)為：高速信號(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，避免使用過孔，以減少電感的引入；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；將電源平面與接地平面相鄰放置，可產(chǎn)生約 (100 pF/in ^{2}) 的額外高頻旁路電容；將低速控制信號(hào)走線布置在底層，可提供更大的布線靈活性。

安全注意事項(xiàng)

由于這些設(shè)備內(nèi)置的ESD保護(hù)有限，在存儲(chǔ)或處理過程中，應(yīng)將引腳短路在一起或?qū)⒃O(shè)備放置在導(dǎo)電泡沫中，以防止靜電對(duì)MOS柵極造成損壞。

總之，ISO71xx系列數(shù)字隔離器憑借其高性能、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)以及高安全性等特性，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過程中，遵循上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)和建議，能夠充分發(fā)揮該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否也遇到過類似的數(shù)字隔離器應(yīng)用場(chǎng)景呢？又有哪些獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以分享呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。