当今世界充斥着各种高速数字电子元件，且随着通信速度的提高以及环境的高度敏感，为确保安全和可靠性，采用隔离策略已变得至关重要。
虽然这主要见诸工业、医疗和航空航天领域，但现在越来越多的应用需要额外的保护层。大多数隔离数字应用包括通过移除共享接地来减轻电磁干扰、防范危险的电压电平，以及保持数据传输无瞬变，这些情况都可能导致数据损坏、连接丢失以及潜在的不安全和不可预测的操作条件（具体因应用而异）。
众所周知，隔离有助于实现上述目标，onsemi 新推出的 Digi-Max 系列片外陶瓷数字隔离器与传统隔离方法相比具有诸多优势，如速度、瞬变抗扰度、温度和整体寿命性能。
光学和数字隔离技术的背景
过去 60 年来，隔离出现过各种各样的形式，最先是模拟的、基于光学的隔离（在当今行业中仍然占据强有力的地位），而最新的隔离形式是结合了 CMOS 和射频传输等技术的数字隔离。
一般来说，数字隔离具有更高的开关速率和更长的内部元件使用寿命，因此性能优于光隔离。光隔离器 LED 由于长期的热应力、对峰值瞬态电流的敏感性、二极管电流限制以及整体元件寿命等原因，通常是导致故障的罪魁祸首。数字隔离主要通过内部屏障的磁耦合和电容耦合来传输信号信息，而不是通过光敏元件，但有些数字隔离器也包含一些光学元件。此外，数字隔离器在单个封装中最多可包含六个通道，使其成为多通道数据总线的理想选择。
一般来说，数字隔离器占用的空间较小，通常集成在用于敏感或关键通信的其他 IC 上，从而节省尺寸和成本。电流隔离被认为是最安全的隔离形式，因为在提供从一个电路到另一个电路的信息传输时，没有任何电气连接或泄漏路径。
虽然光耦合器是最常见的电流隔离形式之一，也比很多类型的磁性数字隔离器更安全，但它们通常速度最慢、最笨重且相对耗电，因此对于高通道数应用和高速应用而言，光耦合器并不是理想的选择。光隔离与数字隔离的直观对比见图 1。
大多数数字隔离器采用片上电容技术，包含薄绝缘屏障以及易受电气过应力和静电放电损坏的材料。通常情况下，数字绝缘体损坏后，它就会失去在两个电源平面之间进行隔离的能力。onsemi 的 Digi-Max 系列数字隔离器不仅具有电流隔离功能，提供不逊于安全性更高的传统光隔离的安全级别，而且还能够根据当今通信应用的需要高速运行。此外，如果 Digi-Max 隔离器损坏，它们的绝缘屏障在本质上仍然可保证安全，从而实现更安全的故障模式和操作条件。Digi-Max 隔离器采用获得专利的片外电容隔离技术，再加上优化的 IC 设计，可实现高绝缘和抗噪声能力。
Digi-Max 优势
NCID9XXX 系列 Digi-Max 器件采用陶瓷基板，绝缘屏障厚度超过 0.5mm，额定外部爬电距离和间隙距离为 8mm，达到光隔离技术的安全可靠性水平。空气的击穿电压为 3,000V/mm，Digi-Max 的 0.5mm 隔离厚度可保证 1,500V 的设计工作电压，即使触点之间没有介电材料。Digi-Max 的最大工作绝缘电压为 2,000Vpeak，因此与其他一些数字绝缘屏障和光耦合器的 LED 退化相比，Digi-Max 可提供更持久的保护。除了高水平的安全性和可靠性之外，NCID9xxx 系列多通道双向器件还具有其他有用的功能，例如：
• 输出使能和过温检测
• 扩展温度范围（-40℃ 至 125℃）
• 用于信号调制的开关键控技术
• AEC-Q100 认证（待定）
• UL1577 的监管审批（1 分钟 5,000 Vrms）
• 跨温度、跨时间以及跨设备保持一致的性能
• 超过 100 kV/µs 的共模瞬变抗扰度 (CMTI)
• 高达 50 Mbits/s 的高速数据传输
图 2 是这些 Digi-Max 隔离器内部布局的单通道版本框图。
让我们快速看一下 CMTI 额定值：CMTI 的定义是隔离屏障所能承受的共模电压电位之间的最大变化率，基本上是指绝缘层对快速且强大的瞬变的抑制程度。虽然电容技术可以阻挡直流电流，但在电容隔离中，因为共模噪声和传输信号共享同一路径，因此共模抑制可能会带来问题。专利设计技术，包括片外封装技术支持的技术，可实现出色的抗噪能力，以获得 200kV/us 的典型 CMTI 性能。
虽然 Digi-Max 系列器件通常价格不菲，但片外电容隔离技术带来的可靠性和安全性完全物有所值。图 3 是 Digi-Max 的片外电容与片上电容不同之处的特写视图。
隔离的典型应用
要求对板载或非板载外设进行隔离的应用包括脉宽调制控制、工业现场总线通信、与微处理器系统的串行接口（如 SPI）、数据采集和电压电平转换。最常见的系统配置之一是利用 SPI 总线主器件和从器件之间的隔离，其中从器件拥有自己的本地电路，并且作为外围设备位于板外。
图 4 是子卡通过 SPI 总线接口连接的典型设计。两块板件使用不同的电源，其中隔离 SPI 信号和子板产生的任何接地噪声非常重要。
另一个需要隔离的例子可能是包含用于快速触发的敏感数字信号的非板载外设。图 5 是一个成像应用，其中现场可编程门阵列具有许多连接到外部元件（如激光器和摄像机）的快速触发信号（激光器的开/关照明或摄像机的开/关曝光）。这些器件有自己的电源，必须与处理内核保持隔离，以防止噪声或瞬变，因此触发信号必须在两端隔离。
结语
虽然隔离还有很多其他应用，但每种方法都有其优点和缺点。光隔离通常最便宜，但速度相对较慢，并且随着温度和时间的推移，性能会下降。片上电容隔离以合理的成本提供更高的速度和性能，但无法提供 Digi-Max 片外隔离的安全性和可靠性。
隔离不仅是一道保险，而且在许多情况下，还是保护安全、敏感电路和数据的最后一道防线。onsemi 的 Digi-Max 系列器件表明，在不牺牲速度或性能的情况下，可以实现更高的可靠性和安全性。onsemi 的 Digi-Max 具备的高可靠性，为使用传统光耦合器的设计人员提供了一条新途径，使他们能够在不损害安全绝缘的情况下迁移到数字隔离技术。
（注：CMTI 比较使用 SiLabs Si860x 和 TI ISO72x 器件完成）