ISO72x系列單通道高速數(shù)字隔離器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，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)

1. 高速信號(hào)傳輸

ISO72x系列提供100Mbps和150Mbps兩種信號(hào)速率選項(xiàng)，能夠滿足不同高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。同時(shí)，其典型傳播延遲僅為12ns，脈沖偏斜典型值為0.5ns，確保了信號(hào)的快速、準(zhǔn)確傳輸。

2. 低功耗與長壽命

具備低功耗睡眠模式，可有效降低系統(tǒng)功耗。在額定工作電壓下，典型使用壽命可達(dá)28年，為長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

3. 高電磁兼容性

擁有高電磁抗擾度，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，減少外界干擾對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

4. 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，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

5. 廣泛的兼容性

可作為大多數(shù)光耦和磁隔離器的直接替代品，并且能夠在3.3V和5V電源下工作，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，具有良好的通用性。

6. 安全認(rèn)證齊全

獲得了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等多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，滿足不同應(yīng)用場景的安全要求。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

ISO72x系列數(shù)字隔離器在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：

1. 工廠自動(dòng)化

可用于Modbus、Profibus?、DeviceNet?等數(shù)據(jù)總線，保障工業(yè)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2. 計(jì)算機(jī)外設(shè)接口

在計(jì)算機(jī)與各種外設(shè)之間提供電氣隔離，防止噪聲干擾和設(shè)備損壞。

3. 伺服控制接口

確保伺服控制系統(tǒng)中信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸，提高控制精度和穩(wěn)定性。

4. 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，隔離器可以有效隔離噪聲，提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

三、產(chǎn)品描述

1. 隔離原理

ISO72x系列設(shè)備通過二氧化硅（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)4000V??的電隔離（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。

2. 信號(hào)處理流程

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)，會(huì)定期發(fā)送更新脈沖以提供輸出的正確直流電平。

3. 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。

4. 電源與輸入輸出特性

這些設(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)，所有輸入都能耐受5V電壓，所有輸出均為4mA CMOS。

5. 不同型號(hào)特點(diǎn)

• ISO722和ISO722M：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。
• ISO721和ISO722：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。
• ISO721M和ISO722M：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，能夠?qū)崿F(xiàn)低抖動(dòng)操作。

四、設(shè)備對(duì)比

工程師在選擇時(shí)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，如信號(hào)速率、是否需要輸出使能、對(duì)噪聲的敏感度等因素來綜合考慮。

五、引腳配置與功能

六、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

在使用過程中，必須注意設(shè)備的絕對(duì)最大額定值，如電源電壓（VCC）范圍為 -0.5V至6V，輸入電壓（VI）范圍為 -0.5V至VCC + 0.5V（最大不超過6V）等。超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

2. ESD額定值

該系列設(shè)備的人體模型（HBM）靜電放電額定值為 ±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±1000V，在操作時(shí)需要注意靜電防護(hù)。

3. 推薦工作條件

推薦的電源電壓范圍為3V至5.5V，不同型號(hào)的輸入脈沖持續(xù)時(shí)間和信號(hào)速率要求有所不同。同時(shí)，環(huán)境溫度范圍為 -40°C至125°C，結(jié)溫不超過150°C。

4. 熱信息

了解設(shè)備的熱特性對(duì)于確保其正常工作至關(guān)重要。例如，ISO72x在不同電路板條件下的熱阻參數(shù)不同，在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)需要參考這些參數(shù)。

5. 功率額定值

在不同的工作條件下，設(shè)備的功率消耗也有所不同。如ISO721和ISO722在特定條件下的功率耗散典型值為159mW，ISO721M和ISO722M為195mW。

6. 安全限制值

安全限制值用于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，如安全輸入、輸出或電源電流限制以及安全溫度限制等。

7. 絕緣規(guī)格

包括外部間隙（CLR）、外部爬電距離（CPG）、絕緣距離（DTI）、比較跟蹤指數(shù)（CTI）等參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于確保設(shè)備的電氣絕緣性能至關(guān)重要。

8. 安全相關(guān)認(rèn)證

獲得的多項(xiàng)安全認(rèn)證為設(shè)備在不同應(yīng)用場景中的使用提供了保障，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保系統(tǒng)符合相應(yīng)的認(rèn)證要求。

9. 電氣和開關(guān)特性

詳細(xì)的電氣和開關(guān)特性參數(shù)，如電源電流、輸出電壓、傳播延遲、脈沖偏斜、抖動(dòng)等，為工程師評(píng)估設(shè)備性能和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

七、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 應(yīng)用信息

ISO72x系列采用單端TTL或CMOS邏輯開關(guān)技術(shù)，適用于隔離單端CMOS或TTL數(shù)字信號(hào)線。在設(shè)計(jì)時(shí)，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。

2. 典型應(yīng)用示例

以ISO721為例，可以與德州儀器的微控制器、CAN收發(fā)器、變壓器驅(qū)動(dòng)器和低壓差穩(wěn)壓器配合使用，構(gòu)建隔離CAN接口。

3. 設(shè)計(jì)要求

與光耦不同，ISO72x系列設(shè)備僅需要兩個(gè)外部旁路電容即可工作，簡化了設(shè)計(jì)。

4. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

在電路連接時(shí)，要注意旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳。同時(shí)，該系列隔離器與大多數(shù)其他供應(yīng)商的產(chǎn)品具有相同的功能引腳布局，?？蛇M(jìn)行引腳對(duì)引腳的直接替換，但在替換時(shí)需要注意不同產(chǎn)品在傳播延遲、信號(hào)速率、功耗和瞬態(tài)保護(hù)等級(jí)等方面的差異。

5. 電源供應(yīng)建議

為了確保設(shè)備在數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，必須在輸入和輸出電源引腳（VCC1和VCC2）放置0.1μF的旁路電容。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）為次級(jí)側(cè)生成隔離電源。

6. 布局要點(diǎn)

• 布局準(zhǔn)則：為實(shí)現(xiàn)低EMI PCB設(shè)計(jì)，至少需要四層電路板，層疊順序應(yīng)為高速信號(hào)層、接地層、電源層和低頻信號(hào)層。高速信號(hào)應(yīng)在頂層布線，避免使用過孔；接地層應(yīng)緊鄰高速信號(hào)層，以提供低電感回流路徑；電源層緊鄰接地層可增加高頻旁路電容；低速控制信號(hào)可在底層布線。
• PCB材料選擇：對(duì)于工作頻率低于150Mbps、上升和下降時(shí)間大于1ns、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)FR - 4 UL94V - 0印刷電路板，因其具有低高頻介電損耗、低吸濕性、高強(qiáng)度和剛度以及自熄性等優(yōu)點(diǎn)。

八、設(shè)備與文檔支持

1. 設(shè)備支持

德州儀器提供了多個(gè)參考設(shè)計(jì)和IBIS模型，為工程師的開發(fā)工作提供了便利。

2. 文檔支持

相關(guān)文檔包括數(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，工程師可以從中獲取更多的設(shè)計(jì)信息和技術(shù)支持。

3. 文檔更新通知

工程師可以在ti.com上注冊(cè)設(shè)備產(chǎn)品文件夾的通知，以接收每周的產(chǎn)品信息更新摘要。

4. 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。

5. 注意事項(xiàng)

該集成電路容易受到ESD損壞，在操作時(shí)需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

綜上所述，ISO72x系列單通道高速數(shù)字隔離器具有眾多優(yōu)秀特性和廣泛的應(yīng)用場景，在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇型號(hào)，并嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，以確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。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)分享交流。