ISO721-Q1與ISO722-Q1高速數(shù)字隔離器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)字隔離器是保障電路安全和信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)年P(guān)鍵組件。今天我們要深入探討的ISO721-Q1和ISO722-Q1 3.3V與5V高速數(shù)字隔離器，來自德州儀器（Texas Instruments），它們?cè)谛阅?、安全和?yīng)用方面都有著出色的表現(xiàn)。

文件下載：iso722-q1.pdf

一、特性亮點(diǎn)

高速與低延遲

這兩款隔離器提供100Mbps的信號(hào)速率選項(xiàng)，典型傳播延遲僅為12ns，脈沖偏斜典型值為0.5ns。這樣的高速和低延遲特性，使得它們?cè)趯?duì)信號(hào)傳輸速度和準(zhǔn)確性要求極高的應(yīng)用中表現(xiàn)卓越，比如高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

低功耗與長(zhǎng)壽命

具備低功耗睡眠模式，在額定工作電壓下典型壽命可達(dá)28年（參考絕緣特性曲線）。這不僅降低了系統(tǒng)的能耗，還延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了維護(hù)成本。

故障安全輸出

當(dāng)輸入電源丟失或未被有效驅(qū)動(dòng)時(shí)，故障安全電路會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)到邏輯高電平，確保系統(tǒng)在異常情況下仍能保持安全狀態(tài)。

兼容性與寬溫度范圍

可作為大多數(shù)光耦和磁隔離器的直接替代品，能在3.3V和5V電源下工作，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

安全認(rèn)證

通過了多項(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)劃以及IEC 61010-1、IEC 62368-1認(rèn)證，為系統(tǒng)的安全性提供了可靠保障。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)自動(dòng)化

在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，可用于Modbus、Profibus?和DeviceNet?等數(shù)據(jù)總線，有效隔離噪聲電流，保護(hù)敏感電路，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

計(jì)算機(jī)外設(shè)接口

在計(jì)算機(jī)與各種外設(shè)之間提供可靠的信號(hào)隔離，防止干擾和損壞，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

伺服控制接口

為伺服控制系統(tǒng)提供高速、低延遲的信號(hào)隔離，保證控制信號(hào)的精確傳輸，提高伺服系統(tǒng)的性能。

數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，隔離器能夠有效隔離噪聲，提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

三、產(chǎn)品描述

隔離原理

ISO721-Q1和ISO722-Q1采用二氧化硅（SiO?）絕緣屏障將邏輯輸入和輸出緩沖器分隔開，該屏障可提供高達(dá)4000VPK的電氣隔離（根據(jù)VDE 0884-17標(biāo)準(zhǔn)）。結(jié)合隔離電源使用時(shí)，能防止數(shù)據(jù)總線或其他電路上的噪聲電流進(jìn)入本地接地，避免干擾或損壞敏感電路。

信號(hào)傳輸過程

二進(jìn)制輸入信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào)，再通過隔離屏障進(jìn)行差分處理。在隔離屏障另一側(cè)，差分比較器接收邏輯轉(zhuǎn)換信息，相應(yīng)地設(shè)置或重置觸發(fā)器和輸出電路。同時(shí)，周期性的更新脈沖會(huì)穿過屏障，以提供輸出的正確直流電平。

故障安全機(jī)制

如果超過4μs未接收到直流刷新脈沖，輸入將被視為未供電或未被有效驅(qū)動(dòng)，故障安全電路會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)到邏輯高電平。

電源要求

這兩款設(shè)備需要兩個(gè)3.3V、5V或任意組合的電源電壓。當(dāng)由3.3V電源供電時(shí)，所有輸入都能承受5V電壓，所有輸出均為4mA CMOS。

ISO722-Q1的特殊功能

ISO722-Q1包含一個(gè)低電平有效輸出使能端，當(dāng)驅(qū)動(dòng)到高邏輯電平時(shí)，輸出將處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，并關(guān)閉內(nèi)部偏置電路以節(jié)省功耗。

輸入閾值和噪聲濾波

ISO721-Q1和ISO722-Q1具有TTL輸入閾值和輸入噪聲濾波器，可防止持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2ns的瞬態(tài)脈沖傳遞到設(shè)備輸出端。

四、設(shè)備對(duì)比

從對(duì)比表中可以看出，ISO722-Q1比ISO721-Q1多了輸出使能功能，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

五、引腳配置與功能

引腳圖

ISO721-Q1和ISO722-Q1采用8引腳SOIC封裝，其引腳配置清晰明了，方便工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

引腳功能

六、規(guī)格參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

了解設(shè)備的絕對(duì)最大額定值非常重要，它能幫助我們避免因超出額定范圍而導(dǎo)致設(shè)備損壞。例如，電源電壓（VCC1和VCC2）的范圍為 -0.5V至6V，輸出電流為 ±15mA，最大虛擬結(jié)溫為170°C。

推薦工作條件

在推薦工作條件下，設(shè)備能發(fā)揮最佳性能。如電源電壓（VCC1和VCC2）范圍為3V至5.5V，高電平輸出電流最大為4mA，低電平輸出電流為 -4mA，輸入脈沖持續(xù)時(shí)間最小為10ns等。

熱信息

熱信息對(duì)于評(píng)估設(shè)備在不同環(huán)境下的散熱性能至關(guān)重要。包括結(jié)到環(huán)境的熱阻、結(jié)到外殼（頂部）的熱阻、結(jié)到電路板的熱阻等參數(shù)，這些參數(shù)能幫助工程師設(shè)計(jì)合理的散熱方案。

功率額定值

在特定測(cè)試條件下（VCC1 = VCC2 = 5.5V，TJ = 150°C，CL = 15pF，輸入100Mbps 50%占空比方波），設(shè)備的功率耗散最大為159mW。

絕緣規(guī)格

絕緣規(guī)格是數(shù)字隔離器的關(guān)鍵指標(biāo)之一。外部間隙（CLR）和外部爬電距離（CPG）均為4mm，通過絕緣層的距離（DTI）為0.008mm，比較跟蹤指數(shù)（CTI）≥400V等，這些參數(shù)確保了設(shè)備的電氣隔離性能。

安全相關(guān)認(rèn)證

通過的安全相關(guān)認(rèn)證為設(shè)備的安全性提供了權(quán)威保障，如VDE認(rèn)證（DIN EN IEC 60747-17）、CSA認(rèn)證（IEC 62368-1）和UL認(rèn)證（UL 1577組件認(rèn)可計(jì)劃）。

安全限制值

安全限制值旨在最小化輸入或輸出電路故障時(shí)對(duì)隔離屏障的潛在損壞。例如，安全輸入、輸出或電源電流在不同條件下有相應(yīng)的限制值，安全溫度為150°C。

電氣特性

電氣特性包括不同電源電壓下的電源電流、輸出電壓、輸入電流、輸入電容和共模瞬態(tài)抗擾度等參數(shù)。這些參數(shù)會(huì)因電源電壓的不同而有所變化，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

開關(guān)特性

開關(guān)特性描述了設(shè)備在信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的性能，如傳播延遲、脈沖偏斜、輸出信號(hào)上升時(shí)間和下降時(shí)間等。不同電源電壓下的開關(guān)特性也有所差異，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估。

七、參數(shù)測(cè)量信息

文檔中詳細(xì)介紹了各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量電路和電壓波形，為工程師進(jìn)行參數(shù)測(cè)量提供了準(zhǔn)確的指導(dǎo)。例如，開關(guān)特性測(cè)試電路、睡眠模式輸出測(cè)試電路、故障安全延遲時(shí)間測(cè)試電路和共模瞬態(tài)抗擾度測(cè)試電路等。

八、詳細(xì)描述

概述

ISO72x-Q1系列設(shè)備通過基于二氧化硅的隔離屏障傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。輸入信號(hào)由發(fā)射器采樣，在每個(gè)數(shù)據(jù)邊沿，發(fā)射器會(huì)發(fā)送相應(yīng)的差分信號(hào)穿過隔離屏障。當(dāng)輸入信號(hào)靜止時(shí)，刷新邏輯會(huì)定期發(fā)送必要的差分信號(hào)。接收器將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，并通過緩沖器輸出。如果接收器未接收到數(shù)據(jù)或刷新信號(hào)，超時(shí)邏輯會(huì)檢測(cè)到輸入側(cè)信號(hào)或電源丟失，并將輸出驅(qū)動(dòng)到默認(rèn)電平。

功能框圖

功能框圖清晰地展示了設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括發(fā)射器、接收器、刷新邏輯和超時(shí)邏輯等部分，幫助工程師更好地理解設(shè)備的工作原理。

設(shè)備功能模式

ISO721-Q1和ISO722-Q1具有不同的功能模式，通過表格詳細(xì)列出了不同電源電壓和輸入條件下的輸出狀態(tài)，方便工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和故障排查。

九、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

ISO72x-Q1設(shè)備采用單端TTL或CMOS邏輯開關(guān)技術(shù)，電源電壓范圍為3V至5.5V。在數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)中，由于其單端設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不遵循任何特定的接口標(biāo)準(zhǔn)，僅用于隔離單端CMOS或TTL數(shù)字信號(hào)線。通常將隔離器放置在數(shù)據(jù)控制器（如μC或UART）與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或線路收發(fā)器之間。

典型應(yīng)用

以隔離CAN接口為例，ISO721設(shè)備可與德州儀器的微控制器、CAN收發(fā)器、變壓器驅(qū)動(dòng)器和低壓差電壓調(diào)節(jié)器配合使用，構(gòu)建可靠的隔離CAN接口。

設(shè)計(jì)要求

與光耦不同，ISO72x-Q1設(shè)備僅需要兩個(gè)外部旁路電容即可工作，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

提供了典型的電路連接圖和引腳交叉參考表，幫助工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和替換其他隔離器。

電源供應(yīng)建議

為確保設(shè)備在數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，需要在輸入和輸出電源引腳（VCC1和VCC2）放置0.1μF的旁路電容，并盡量靠近電源引腳。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（如德州儀器的SN6501設(shè)備）為次級(jí)側(cè)生成隔離電源。

布局

PCB布局對(duì)于設(shè)備的性能至關(guān)重要。建議采用至少四層的PCB設(shè)計(jì)，層疊順序?yàn)楦咚傩盘?hào)層、接地層、電源層和低頻信號(hào)層。在布局時(shí)，需要注意高速信號(hào)的布線、接地層和電源層的設(shè)置以及低速控制信號(hào)的布線等問題。同時(shí)，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，以獲得更好的性能。

十、設(shè)備與文檔支持

設(shè)備支持

提供了相關(guān)的開發(fā)支持資源，如德州儀器的多個(gè)參考設(shè)計(jì)和ISO72x IBIS模型，幫助工程師進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

文檔支持

提供了相關(guān)的文檔資源，如數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)指南、隔離術(shù)語表、隔離RS-485參考設(shè)計(jì)應(yīng)用報(bào)告和ISO721EVM用戶指南等，方便工程師獲取更多的技術(shù)信息。

文檔更新通知

工程師可以通過導(dǎo)航到設(shè)備產(chǎn)品文件夾，點(diǎn)擊“通知”進(jìn)行注冊(cè)，以接收文檔更新的每周摘要。

支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、可靠答案和設(shè)計(jì)幫助的重要渠道，可直接向?qū)＜易稍儐栴}。

商標(biāo)說明

對(duì)文檔中涉及的商標(biāo)進(jìn)行了說明，提醒工程師注意商標(biāo)的使用規(guī)范。

靜電放電注意事項(xiàng)

由于集成電路容易受到靜電放電（ESD）的損壞，德州儀器建議在處理集成電路時(shí)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，以避免設(shè)備損壞。

術(shù)語表

提供了術(shù)語表，幫助工程師理解文檔中涉及的專業(yè)術(shù)語和縮寫。

十一、修訂歷史

詳細(xì)記錄了文檔的修訂歷史，包括不同版本之間的更改內(nèi)容，方便工程師了解產(chǎn)品的發(fā)展和改進(jìn)情況。

十二、機(jī)械、包裝與訂購信息

提供了設(shè)備的機(jī)械、包裝和訂購信息，包括不同封裝選項(xiàng)、包裝數(shù)量、載體類型、RoHS合規(guī)性、引腳鍍層材料、MSL評(píng)級(jí)和峰值回流溫度等，幫助工程師進(jìn)行產(chǎn)品選型和采購。

總之，ISO721-Q1和ISO722-Q1高速數(shù)字隔離器在性能、安全和應(yīng)用方面都具有出色的表現(xiàn)，為電子工程師提供了可靠的信號(hào)隔離解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，綜合考慮設(shè)備的各項(xiàng)特性和參數(shù)，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用數(shù)字隔離器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。