ISO72x單通道高速數(shù)字隔離器全解析

作為電子工程師，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，數(shù)字隔離器是我們常常會(huì)用到的關(guān)鍵器件。今天，我要給大家詳細(xì)介紹德州儀器（TI）的ISO721、ISO721M、ISO722和ISO722M單通道高速數(shù)字隔離器。

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一、特性亮點(diǎn)

ISO72x系列數(shù)字隔離器具有眾多令人矚目的特性，這些特性使得它在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中脫穎而出。

高速與低延遲

它提供100和150Mbps的信號(hào)速率選項(xiàng)，能夠滿足不同高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆５湫偷膫鞑パ舆t僅為12ns，脈沖偏斜典型值為0.5ns，這意味著信號(hào)能夠快速、準(zhǔn)確地傳輸，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確性。大家可以思考一下，在哪些對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和精度要求極高的場(chǎng)景中，這些特性會(huì)發(fā)揮至關(guān)重要的作用呢？

低功耗與長壽命

具備低功耗睡眠模式，能夠有效降低系統(tǒng)的功耗。在額定工作電壓下，典型壽命可達(dá)28年，這為系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。對(duì)于一些需要長時(shí)間不間斷工作的設(shè)備來說，這樣的長壽命特性無疑是非常重要的。

高抗干擾與安全認(rèn)證

具有高電磁抗擾度，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作。同時(shí)，還具備故障安全輸出功能，當(dāng)輸入電源丟失或出現(xiàn)故障時(shí)，輸出會(huì)被驅(qū)動(dòng)到一個(gè)安全的邏輯高狀態(tài)，避免系統(tǒng)出現(xiàn)異常。此外，它還通過了多項(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，這充分證明了其安全性和可靠性。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

ISO72x系列數(shù)字隔離器的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，涵蓋了工業(yè)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)外設(shè)接口等多個(gè)領(lǐng)域。

工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域

在工廠自動(dòng)化中，它可用于Modbus、Profibus?、DeviceNet?等數(shù)據(jù)總線，能夠有效隔離數(shù)據(jù)總線和本地接地之間的噪聲電流，保護(hù)敏感電路不受干擾和損壞。在伺服控制接口中，它可以確?？刂菩盘?hào)的準(zhǔn)確傳輸，提高伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域

在計(jì)算機(jī)外設(shè)接口中，它可用于隔離不同設(shè)備之間的信號(hào)，避免信號(hào)干擾。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，它能夠有效隔離采集電路和處理電路，提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。

三、詳細(xì)描述

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

ISO721、ISO721M、ISO722和ISO722M設(shè)備的邏輯輸入和輸出緩沖器由二氧化硅（SiO?）絕緣屏障隔開，該屏障可提供高達(dá)4000 VPK的電隔離。當(dāng)二進(jìn)制輸入信號(hào)進(jìn)入設(shè)備后，會(huì)先進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào)，然后通過隔離屏障進(jìn)行差分處理。在隔離屏障的另一側(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)，會(huì)定期發(fā)送更新脈沖以提供輸出的正確直流電平。如果在超過4μs的時(shí)間內(nèi)沒有接收到直流刷新脈沖，則輸入被認(rèn)為未供電或未被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，故障安全電路會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)到邏輯高狀態(tài)。

不同型號(hào)的差異

ISO722和ISO722M設(shè)備包含一個(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)省功率。ISO721和ISO722設(shè)備具有TTL輸入閾值和輸入噪聲濾波器，可防止持續(xù)時(shí)間長達(dá)2ns的瞬態(tài)脈沖傳遞到設(shè)備輸出。而ISO721M和ISO722M設(shè)備具有CMOS VCC / 2輸入閾值，但沒有噪聲濾波器和額外的傳播延遲，這使得ISO721M設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)低抖動(dòng)操作。

四、規(guī)格參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

在使用ISO72x系列數(shù)字隔離器時(shí)，必須要注意其絕對(duì)最大額定值。例如，電源電壓VCC1和VCC2的范圍為 - 0.5V至6V，輸入電壓范圍為 - 0.5V至VCC + 0.5V（最大電壓不得超過6V），輸出電流最大為±15mA，最大結(jié)溫為170°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65°C至150°C。超出這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)一定要嚴(yán)格遵守。

電氣和開關(guān)特性

在不同的電源電壓和工作條件下，ISO72x系列數(shù)字隔離器具有不同的電氣和開關(guān)特性。例如，在5V和3.3V電源電壓下，其靜態(tài)和不同信號(hào)速率下的電源電流、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)都有所不同。在開關(guān)特性方面，不同型號(hào)的傳播延遲、脈沖偏斜、輸出信號(hào)上升和下降時(shí)間、睡眠模式傳播延遲、故障安全輸出延遲時(shí)間和峰 - 峰眼圖抖動(dòng)等參數(shù)也存在差異。這些參數(shù)對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)電路時(shí)選擇合適的型號(hào)和確定工作條件非常重要。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

典型應(yīng)用電路

以ISO721設(shè)備為例，它可以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)器一起使用，創(chuàng)建一個(gè)隔離CAN接口。在這個(gè)應(yīng)用電路中，ISO721設(shè)備起到了隔離數(shù)據(jù)信號(hào)和電源的作用，確保CAN總線的穩(wěn)定運(yùn)行。

設(shè)計(jì)要求與步驟

與光耦合器不同，ISO72x設(shè)備只需要兩個(gè)外部旁路電容器即可工作，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要將0.1μF的旁路電容器盡可能靠近輸入和輸出電源引腳（VCC1和VCC2）放置，以提供可靠的電源供應(yīng)。同時(shí)，ISO72x隔離器與大多數(shù)其他供應(yīng)商的產(chǎn)品具有相同的功能引腳排列，通?？梢灾苯犹娲?，這為我們的設(shè)計(jì)提供了很大的便利。

布局建議

為了實(shí)現(xiàn)低EMI的PCB設(shè)計(jì)，建議采用至少四層的電路板，層堆疊順序?yàn)楦咚傩盘?hào)層、接地層、電源層和低頻信號(hào)層。將高速跡線布置在頂層可以避免使用過孔，減少電感的引入，同時(shí)為隔離器與數(shù)據(jù)鏈路的發(fā)射和接收電路之間提供干凈的互連。將實(shí)心接地層放置在高速信號(hào)層旁邊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。將電源層放置在接地層旁邊可以創(chuàng)建額外的高頻旁路電容。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，在信號(hào)速率低于150Mbps或上升和下降時(shí)間大于1ns且跡線長度不超過10英寸時(shí)，建議使用標(biāo)準(zhǔn)FR - 4 UL94V - 0印刷電路板，因?yàn)樗诟哳l下具有較低的介電損耗、較少的水分吸收、更高的強(qiáng)度和剛度以及自熄性。

六、設(shè)備與文檔支持

德州儀器為ISO72x系列數(shù)字隔離器提供了豐富的設(shè)備和文檔支持。在開發(fā)支持方面，提供了多個(gè)TI參考設(shè)計(jì)和ISO72x IBIS模型。在文檔支持方面，提供了數(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用戶指南等相關(guān)文檔。我們還可以通過ti.com注冊(cè)接收文檔更新通知，并且可以在TI E2E?支持論壇上獲取快速、經(jīng)過驗(yàn)證的答案和設(shè)計(jì)幫助。

ISO72x系列數(shù)字隔離器以其出色的特性、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和完善的支持文檔，為我們電子工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了一個(gè)非常好的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和工作條件，合理選擇型號(hào)，并嚴(yán)格按照規(guī)格參數(shù)和設(shè)計(jì)建議進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎一起交流探討。