アイソレータは、回路間の信号干渉を分離し、システムの安定性と安全性を向上させるために使用されます。以前は回路を分離するためにオプトカプラが使用されていましたが、CMOSテクノロジの進歩により、デジタル アイソレータが分離の優先テクノロジになりました。この記事では、デジタル アイソレータの特性と、ニーズに適したアイソレータを選択する方法について分析します。
デジタルアイソレータが徐々にオプトカプラに取って代わる
アイソレータは電子回路設計、特に産業用電子機器で広く使用されており、通常はDC絶縁を使用して、潜在的な高電圧の危険がシステムやユーザーに害を及ぼすのを防ぎます。特に、産業用電子機器は、強力な電磁場、サージ、高速過渡現象、高いノイズフロアなど不安定な要因に満ちた過酷な環境でも安定して動作する必要があるため、このような環境でデバイスが長期間にわたって故障なく動作することを保証するためには、信頼性の高い絶縁回路が必須となっています。
過去40年間、オプトカプラは信号絶縁コンポーネントによく使用されてきました。シリコンベースの絶縁技術の進歩により、より小型で高速、かつ安定しており、コスト面でも優位性のあるデジタルアイソレータが登場しました。多くの端末ユニットでは、この新しい絶縁コンポーネントが徐々に従来のオプトカプラに取って代わりました。
産業市場で使用されるアイソレータは、主にコンポーネントの保護、ユーザーの安全、信号レベルのシフト、および安全規制の遵守のために使用されます。いずれの場合も、分離コンポーネントは追加機能を有効にし、システムの安全な動作を保証することで、システムに価値を追加します。通常、絶縁コンポーネントを追加すると、回路のパフォーマンスが向上し、コンポーネントの安全性が向上します。絶縁デバイスにより、複数の電源ドメインが共存して通信できるようになるため、敏感な回路がスイッチング回路から保護されます。最新のデジタル絶縁により大規模な統合が可能になり、回路部品の数を減らすことができます。分離デバイスを追加すると、パフォーマンス、効率、サイズ、コストなどすべてが影響を受ける可能性があります。
従来のオプトカプラは、LED光を使用して絶縁バリアを介して光検出器にデータを送信するハイブリッド デバイスです。LEDはロジックHighの場合はオンになり、ロジックLowの場合はオフになります。オプトカプラは大量の電力を消費し、経年劣化や温度の影響を受けやすく、データレートも1Mbps未満と限られています。
一方、デジタル絶縁デバイスは、最新のCMOSテクノロジの利点を最大限に活用しながら、安全規制を満たすように作成されました。これを実現するために、デジタル絶縁デバイスは半導体プロセス技術を使用して、光の代わりにデータを転送するトランスまたはコンデンサを作成します。このテクノロジーにより、パフォーマンスと機能の統合の両方が向上します。
オプトカプラは多くの設計に組み込まれていますが、入力電流、温度、経年変化によって出力が大きく変化する時代遅れのLED技術に基づいています。これにより、デバイスの寿命にわたってパフォーマンスが低下します。デジタル絶縁コンポーネントは、はるかに小さなフットプリントでマルチチャネル絶縁ソリューションを簡単に提供し、故障率が低いためシステムの信頼性が向上し、電気ノイズ耐性が2倍になり、より広い温度範囲（-40℃）で動作します。 ℃ 125まで℃）、経年劣化しません。
機能セットと絶縁性能は、どちらもデジタル アイソレータを選択する際に考慮すべき要素です。機能セット側では、分離チャネルの数とチャネル構成を考慮します。伝播遅延などのタイミング仕様は、システムに適したものでなければなりません。絶縁性能の面では、システムに必要な絶縁定格を理解することが重要です。過渡ノイズ耐性と電磁放射プロファイルは、分離構造に関連するその他の考慮事項です。分離評価では、システム環境に応じて考慮すべきパッケージ オプションが存在する場合があります。
設計者が切り替えを決定した後、最初の課題は、各アプリケーションに適したデジタル アイソレータを選択することです。適切なデバイスが特定され、設計に組み込まれると、システム設計者は通常の方法でシステム評価を進めることができます。さらに、これらのデジタル アイソレータは、UL、CSA、VDE、CQCなどの最終安全機関が要求する適切な安全基準を満たす必要があります。これらの安全機関は、コンポーネントの安全規格を使用して、安全コンポーネントの1分間の耐電圧定格 (通常は2.5 kVrms、3.75 kVrms、または5 kVrms)、またはその寿命中の動作電圧 (通常は125 Vrms ～ 1000 Vrms) を認定および指定します。サージ保護に関しては、一部のデバイスは10 kVpkに達することができます。
最大250 Vrmsの動作絶縁を必要とする基本絶縁および強化絶縁のエンド システムに必要な最も一般的な2つの沿面距離とクリアランス要件は、それぞれ3.2 mmと6.4 mmです。Silicon LabsのナローボディSOICパッケージは、約4mmの沿面距離/クリアランスをサポートし、ワイドボディSOICパッケージは、約8mmをサポートします。Si80xx、Si83xx、Si86xx、Si87xx、およびSi88xxファミリの1 ～ 6チャネルの双方向および単方向デジタル アイソレータは、最大5 kVの絶縁電圧定格をサポートします。これらのCMOSデジタル アイソレータにより、設計者は低コスト、小型、高性能、低消費電力、信頼性の高い絶縁回路を作成できます。幅広い製品ポートフォリオ、業界革新の実績、そしてエンジニアリングの卓越性への揺るぎない取り組みにより、Silicon Labsの絶縁技術はお客様の絶縁ニーズを満たす準備ができています。