一文讀懂，數(shù)字隔離芯片如何實現(xiàn)電氣隔離？

數(shù)字隔離芯片是現(xiàn)代電氣工程師在進行電路設計時所必須考慮的一種電子元件，主要用于保護低壓控制電路中敏感電子設備的穩(wěn)定運行與操作人員的人身安全。其不僅能隔離兩個或多個高低壓回路之間的電氣聯(lián)系，還能防止漏電流、共模噪聲與浪涌等干擾信號的傳播，有效增強電路間信號傳輸的抗干擾能力，同時提升電子系統(tǒng)的電磁兼容性與通信穩(wěn)定性。

值得一提的是，在電子電路中引入隔離措施會帶來傳輸延遲、功耗增加、成本增加與尺寸增加等問題，而數(shù)字隔離芯片的目標就是盡可能消除這些不利影響，同時滿足安全法規(guī)的要求。

不同類型的隔離芯片，如何實現(xiàn)電氣隔離？

從如何實現(xiàn)電氣隔離功能的角度上看，隔離芯片可以分為容耦隔離芯片、磁耦隔離芯片和光耦隔離芯片三大類，其中容耦隔離芯片和和磁耦隔離芯片屬于新型的數(shù)字隔離芯片。

容耦隔離是一種基于電容通高頻阻低頻的原理來實現(xiàn)信號傳輸與電氣隔離的技術。

在信號輸入階段，來自MCU的電信號首先經(jīng)過編碼和調制電路，被轉換為高頻載波信號。通常采用開關鍵控（OOK）調制方式，例如，在 OOK 調制方式中，當輸入信號為高電平時，發(fā)送高頻載波信號；當輸入信號為低電平時，不發(fā)送信號。

在信號傳輸階段，調制后的高頻信號通過芯片內部的隔離電容傳輸?shù)捷敵龆?。由于電容具有隔直流通交流的特性，所以可以有效地阻?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1565160.html">直流分量和低頻干擾信號，只允許高頻調制信號通過。

在信號接收階段，接收到的高頻信號首先經(jīng)過前置放大器進行放大和預處理，然后進入解調器進行解調。解調器根據(jù)調制方式的不同，采用相應的解調算法將高頻信號還原為原始的數(shù)字信號。例如，對于 OOK 調制信號，解調器通過檢測信號的有無來恢復出原始的數(shù)字信號。最后，經(jīng)過解碼電路將解調后的信號轉換為與輸入信號邏輯對應的電信號輸出。

磁耦隔離是一種采用電磁感應原理來實現(xiàn)信號傳輸與電氣隔離的技術。

在信號輸入階段，來自MCU的電信號會經(jīng)過驅動電路的處理轉換為1ns的脈沖信號，當輸入信號發(fā)生變化時，如從低電平變?yōu)楦唠娖交蚍粗酒瑫a(chǎn)生相應的窄脈沖信號加載到變壓器的初級線圈上。

在信號傳輸階段，變壓器初級線圈在脈沖信號的作用下產(chǎn)生磁場變化，根據(jù)電磁感應定律，變化的磁場會在次級線圈中感應出電動勢。由于變壓器的初、次級線圈之間具有良好的磁耦合，磁場能有效地從初級線圈傳遞到次級線圈，從而將初級線圈的信號以磁場為媒介耦合到次級線圈。

在信號接收階段，次級端電路檢測到感應電動勢后，對其進行處理和解碼，將其還原為與輸入信號邏輯對應的1ns脈沖信號。而后，脈沖信號經(jīng)過電路處理后在輸出端重新恢復為最初的電信號。

光耦隔離是一種使用光電耦合器來實現(xiàn)信號傳輸與電氣隔離的技術。

在信號輸入階段，來自MCU的電信號會通過LED，LED會根據(jù)電信號電流的大小和變化產(chǎn)生相應強度和變化的光信號。例如：輸入高電平時，通過LED的電流較大，LED發(fā)光強度較強；輸入低電平時，通過LED的電流較小或無電流，LED發(fā)光強度較弱或不發(fā)光。

在信號傳輸階段，LED發(fā)出的光信號會通過光耦內部的PI、空氣等透明隔離介質，傳輸?shù)捷敵龆说?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1652658.html">光敏元件中。在此過程中，由于光信號的傳輸是通過透明隔離介質進行的，因此輸入和輸出端在電氣上是完全隔離的。

在信號接收階段，光敏二極管、光敏三極管或光控晶閘管等光敏元件在接收到光信號后，會根據(jù)光信號的強度、頻率等特性還原出相應的電信號。例如，光敏三極管在接收到光信號后，其內部的光敏區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，從而使三極管的電流發(fā)生變化，實現(xiàn)光信號到電信號的轉換。

不同類型的隔離芯片，孰優(yōu)孰劣？

綜上所訴，容耦隔離芯片是利用電場信號來實現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離，采用CMOS工藝，具備抗干擾能力較強、數(shù)據(jù)傳輸速率較高、集成度較高、功耗較小、體積較小、成本較低等優(yōu)點，常用于高速數(shù)字信號的隔離。

磁耦隔離芯片是利用磁場信號來實現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離，采用CMOS工藝，具備數(shù)據(jù)傳輸速率較高、集成度較高與體積較小等優(yōu)點，但其存在功耗相對容耦隔離芯片較大、易受外部磁場干擾與應用成本較高等缺點，常用于高速數(shù)字信號的隔離。

光耦隔離芯片是利用光信號來實現(xiàn)的信息傳輸與電氣隔離，具備技術成熟度較高、抗干擾能力較強與成本較低等優(yōu)點，但其存在數(shù)據(jù)傳輸速率較低、功耗較高、體積較大、隔離等級受限與光衰等缺點，常用于低速和中速數(shù)字信號的隔離。

現(xiàn)階段，數(shù)字隔離芯片將進一步取代傳統(tǒng)光耦隔離芯片已成為業(yè)內共識，其中容耦隔離芯片是業(yè)內主流的技術發(fā)展方向。在數(shù)字隔離芯片的技術賽道上，容耦隔離芯片在抗干擾能力與成本方面均優(yōu)于磁耦隔離芯片，在下游市場端滲透更快，應用領域亦更加寬泛。

容耦隔離芯片，“守護”電子系統(tǒng)的最優(yōu)選

作為傳統(tǒng)光耦隔離芯片的升級/替代方案，華普微自主研發(fā)的隔離芯片采用了業(yè)內主流的容耦技術，可通過OOK調制方式，令發(fā)射器通過隔離柵發(fā)送高頻載波表示一種數(shù)字狀態(tài)，而不發(fā)送信號則表示另一種數(shù)字狀態(tài)。數(shù)據(jù)信號在接收時，接收器在將信號進行預處理后進行信號解調，并通過緩沖級產(chǎn)生輸出。容耦隔離芯片的功耗基本不隨著傳輸數(shù)據(jù)速率的變化而改變。

這種基于開關鍵控（OOK）的調制策略，不僅能有效抵抗共模干擾，確保設備在高噪聲環(huán)境下穩(wěn)定可靠地運行，還具備低電磁輻射、響應速度快與實現(xiàn)成本低等優(yōu)勢，使得采用容耦技術的隔離芯片成為了各類電子系統(tǒng)中保障低壓控制回路安全性的理想選擇。

展望未來，隨著容耦隔離芯片技術水平的不斷提升，可以預見，容耦隔離芯片作為保障電子電路安全的關鍵組件，將在新能源汽車、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)、信息通訊等多個領域展現(xiàn)出更加廣泛的應用潛力。

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