深入剖析ISO722x系列雙通道數(shù)字隔離器

在電子設(shè)計(jì)的眾多領(lǐng)域中，數(shù)字隔離器扮演著至關(guān)重要的角色，它能夠有效阻斷高電壓、隔離接地，防止噪聲電流對(duì)敏感電路造成干擾或損壞。今天，我們就來深入探討一下TI的ISO7220x和ISO7221x系列雙通道數(shù)字隔離器，看看它們有哪些獨(dú)特的性能和應(yīng)用場景。

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主要特性

ISO722x系列提供了豐富的特性，使其在數(shù)字隔離領(lǐng)域脫穎而出。

高速與低失真

該系列產(chǎn)品有1Mbps、5Mbps、25Mbps和150Mbps多種信令速率可選，能夠滿足不同應(yīng)用場景下的高速數(shù)據(jù)傳輸需求。同時(shí)，它還具備低通道間輸出偏斜（最大1ns）、低脈沖寬度失真（PWD，最大1ns）以及低抖動(dòng)（150Mbps時(shí)典型值1ns）的優(yōu)點(diǎn)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這種高精度的傳輸特性對(duì)于一些對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化控制中的數(shù)據(jù)通信，尤為重要。

高抗擾與寬電壓

它具有50kV/μs的典型瞬態(tài)抗擾度，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作。支持2.8V（C級(jí)）、3.3V或5V電源供電，且所有輸入在2.8V或3.3V電源供電時(shí)具備5V容限，輸出為4mA的CMOS，這使得它在不同電源系統(tǒng)和邏輯電平之間的兼容性非常好。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們常常會(huì)遇到多種電源和邏輯電平共存的情況，ISO722x的這種特性可以大大簡化電路設(shè)計(jì)。

高可靠性與安全性

產(chǎn)品具備4kV的ESD保護(hù)能力，以及在 -40°C至 +125°C的寬工作溫度范圍內(nèi)正常工作的能力。在額定電壓下，典型壽命可達(dá)28年，這充分體現(xiàn)了其可靠性。此外，它還獲得了多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）、UL 1577組件認(rèn)可程序、IEC 61010 - 1和IEC 62368 - 1認(rèn)證等，為安全關(guān)鍵應(yīng)用提供了可靠保障。在一些工業(yè)控制和電力系統(tǒng)應(yīng)用中，安全性是至關(guān)重要的，這些認(rèn)證能夠讓工程師們更加放心地使用該產(chǎn)品。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

ISO7220x和ISO7221x系列數(shù)字隔離器在多個(gè)領(lǐng)域都有出色的應(yīng)用表現(xiàn)。

工廠自動(dòng)化

在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，Modbus、Profibus和DeviceNet等數(shù)據(jù)總線廣泛應(yīng)用。ISO722x系列可以有效隔離數(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)器之間的信號(hào)，防止噪聲干擾，確保通信的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，在工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，通過使用ISO722x數(shù)字隔離器，可以提高機(jī)器人操作的精度和可靠性，減少因干擾導(dǎo)致的錯(cuò)誤動(dòng)作。

計(jì)算機(jī)外設(shè)接口和伺服控制接口

在計(jì)算機(jī)外設(shè)接口中，數(shù)字隔離器可以隔離主機(jī)與外設(shè)之間的信號(hào)，保護(hù)主機(jī)免受外設(shè)可能產(chǎn)生的高電壓或噪聲的影響。在伺服控制接口中，它能夠確?？刂菩盘?hào)的準(zhǔn)確傳輸，提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。比如，在3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中，ISO722x數(shù)字隔離器可以保證電機(jī)控制信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，從而提高打印質(zhì)量。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常常需要采集來自不同傳感器的信號(hào)，這些信號(hào)可能存在電壓差異和噪聲干擾。ISO722x系列數(shù)字隔離器可以將采集到的信號(hào)進(jìn)行隔離和轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，使用ISO722x數(shù)字隔離器可以有效隔離傳感器與采集設(shè)備之間的信號(hào)，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ISO722x系列數(shù)字隔離器的工作原理基于硅 dioxide（SiO?）隔離屏障，它將邏輯輸入和輸出緩沖器分隔開來，提供高達(dá)4000V??的電隔離。當(dāng)二進(jìn)制輸入信號(hào)進(jìn)入設(shè)備后，首先經(jīng)過調(diào)理和轉(zhuǎn)換，變成平衡信號(hào)，然后通過隔離屏障進(jìn)行差分傳輸。在隔離屏障的另一側(cè)，差分比較器接收邏輯轉(zhuǎn)換信息，根據(jù)這些信息設(shè)置或重置觸發(fā)器和輸出電路。此外，為了確保輸出的直流電平正常，會(huì)定期發(fā)送更新脈沖。如果每4μs沒有接收到這個(gè)直流刷新脈沖，故障安全電路會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)到邏輯高狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)保證了即使在輸入電源故障或無有效驅(qū)動(dòng)的情況下，設(shè)備也能保持安全的輸出狀態(tài)。

從功能模塊來看，ISO722x系列由發(fā)射器、接收器、刷新邏輯和超時(shí)邏輯等部分組成。發(fā)射器負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并將差分信號(hào)發(fā)送到隔離屏障的另一側(cè)；接收器將接收到的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)輸出；刷新邏輯在輸入信號(hào)靜態(tài)時(shí)，定期發(fā)送必要的差分信號(hào)；超時(shí)邏輯用于檢測輸入側(cè)信號(hào)或電源的丟失情況，并及時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

芯片規(guī)格參數(shù)

電氣與開關(guān)特性

ISO722x在不同電源電壓下的電氣特性表現(xiàn)良好。例如，在5V電源供電時(shí)，V?CC??和V?CC??的靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)電流都有明確的參數(shù)指標(biāo)，不同型號(hào)和工作速率下的電流值有所不同。在開關(guān)特性方面，不同型號(hào)的傳播延遲、脈沖寬度失真、通道間輸出偏斜等參數(shù)也有相應(yīng)的規(guī)定。這些參數(shù)對(duì)于電路設(shè)計(jì)中的時(shí)序分析和信號(hào)完整性設(shè)計(jì)非常重要。例如，在設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)傳輸電路時(shí)，需要根據(jù)傳播延遲和脈沖寬度失真等參數(shù)來合理安排信號(hào)的傳輸路徑和時(shí)序。

絕緣特性與安全參數(shù)

它的絕緣特性也十分突出，外部爬電距離和電氣間隙均為4mm，最小內(nèi)部間隙（內(nèi)部電氣間隙）為0.008mm，比較漏電起痕指數(shù)（CTI）≥400V。最大重復(fù)峰值隔離電壓V?IORM?為560V??，最大瞬態(tài)隔離電壓V?IOTM?為4000V??。此外，從安全角度來看，它還具有安全輸入、輸出或電源電流限制以及安全溫度限制等參數(shù)，這些參數(shù)能夠有效保護(hù)隔離屏障，防止因輸入或輸出電路故障導(dǎo)致的損壞。在一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用中，如電力系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備中，這些安全參數(shù)的保障至關(guān)重要。

PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

布局準(zhǔn)則

為了實(shí)現(xiàn)低電磁干擾（EMI）的PCB設(shè)計(jì)，至少需要四層電路板。層疊順序應(yīng)該是：高速信號(hào)層、接地層、電源層和低頻信號(hào)層。將高速信號(hào)布線在頂層可以避免使用過孔，減少電感的引入，確保隔離器與數(shù)據(jù)鏈路的發(fā)射器和接收器電路之間的互連清晰。在高速信號(hào)層旁邊放置一個(gè)完整的接地層，可以為傳輸線互連建立受控阻抗，并為回流電流提供低電感路徑。電源層與接地層相鄰可以產(chǎn)生約100pF/in2的高頻旁路電容。將低速控制信號(hào)布線在底層，這樣可以更靈活地處理這些信號(hào)鏈路，因?yàn)樗鼈兺ǔＤ軌蛉萑踢^孔等不連續(xù)性。如果需要額外的電源電壓層或信號(hào)層，可以添加第二個(gè)電源或接地層系統(tǒng)，以保持層疊的對(duì)稱性，增加機(jī)械穩(wěn)定性并防止翹曲。

PCB材料選擇

對(duì)于工作頻率低于150Mbps（或上升和下降時(shí)間大于1ns）且走線長度不超過10英寸的數(shù)字電路板，建議使用標(biāo)準(zhǔn)的FR - 4 UL94V - 0印刷電路板。這種電路板在高頻下具有較低的介電損耗、較少的吸濕性、較高的強(qiáng)度和剛度，并且具有自熄性的阻燃特性，優(yōu)于一些廉價(jià)的替代材料。

典型設(shè)計(jì)示例

在設(shè)計(jì)中，以ISO7221x系列為例，它可以與德州儀器的混合信號(hào)微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、變壓器驅(qū)動(dòng)器和電壓調(diào)節(jié)器一起使用，創(chuàng)建一個(gè)隔離的4 - 20mA電流回路。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，只需要兩個(gè)外部旁路電容，大大簡化了設(shè)計(jì)過程。與光耦合器相比，ISO722x和ISO7221x設(shè)備不需要額外的外部組件來提高性能或提供偏置（或限制電流），降低了設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜度。

選型與使用建議

選型要點(diǎn)

在選擇ISO722x系列數(shù)字隔離器時(shí)，需要考慮多個(gè)因素。首先是信號(hào)速率，不同型號(hào)的最大信號(hào)速率不同，如ISO7220A和ISO7221A的最大信號(hào)速率為1Mbps，而ISO7220M和ISO7221M可以達(dá)到150Mbps。因此，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的信號(hào)傳輸速率要求來選擇合適的型號(hào)。其次是輸入閾值，A、B、C型號(hào)的輸入閾值約為1.5V（TTL），與CMOS兼容；而M型號(hào)的輸入閾值為V?CC? / 2（CMOS）。此外，還要考慮通道方向，ISO7220x系列通道方向相同，ISO7221x系列通道方向相反，根據(jù)具體的電路布局和信號(hào)流向來選擇合適的通道方向。

使用注意事項(xiàng)

在使用過程中，為了確保設(shè)備的可靠運(yùn)行，建議在輸入和輸出電源引腳（V?CC??和V?CC??）處添加0.1μF的旁路電容，并將這些電容盡可能靠近電源引腳放置。如果應(yīng)用中只有一個(gè)初級(jí)側(cè)電源可用，可以使用如德州儀器SN6501這樣的變壓器驅(qū)動(dòng)器為次級(jí)側(cè)生成隔離電源。同時(shí)，要注意靜電放電（ESD）的防護(hù)，因?yàn)樵?a target="_blank">集成電路容易受到ESD的損壞，在操作和安裝過程中需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

總之，ISO7220x和ISO7221x系列數(shù)字隔離器以其出色的性能和豐富的功能，為電子工程師在設(shè)計(jì)中提供了可靠的選擇。通過合理的選型和正確的使用方法，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高電路的性能和可靠性。希望本文能為工程師們在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供一些有益的參考。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。