h1_key

隔離器芯片（Isolator Chip），也稱為數(shù)字隔離器（Digital Isolator）。

一、隔離器芯片原理

隔離器芯片的核心目的是在兩個電氣系統(tǒng)之間提供電氣隔離，同時允許數(shù)字信號或數(shù)據(jù)（有時甚至是電源）穿越這個隔離屏障。隔離意味著兩側電路沒有直接的電氣連接（沒有共用的地線或電源），從而防止危險的電壓、電流浪涌、地線環(huán)路干擾或噪聲從一側傳遞到另一側，保護人員和設備安全，并確保信號的完整性。

實現(xiàn)隔離的關鍵在于利用非導電的介質來傳遞信息。 主流技術有三種：

1、電容隔離 (Capacitive Isolation):

原理： 使用一對匹配的高壓電容（通常由二氧化硅構成）嵌入在隔離層（如二氧化硅或聚酰亞胺）中。

信號傳輸： 發(fā)送端通過調(diào)制高頻載波（如開關鍵控）將數(shù)字信號加載到電容的一個極板上。變化的電場通過隔離介質耦合到接收端的電容極板上。接收端電路解調(diào)這個高頻信號，恢復出原始的數(shù)字信號。

特點： 速度高、功耗相對較低、集成度高、壽命長、抗磁干擾能力強。是目前最主流的技術。

2、磁隔離 (Magnetic / Inductive Isolation):

原理： 使用微型變壓器（線圈）嵌入在隔離層中。

信號傳輸： 發(fā)送端的電流變化在變壓器初級線圈產(chǎn)生變化的磁場。磁場通過隔離介質（通常是聚酰亞胺或類似材料）耦合到次級線圈，產(chǎn)生感應電流/電壓，接收端電路將其解調(diào)為數(shù)字信號。通常也使用高頻載波調(diào)制技術。

特點： 速度高、功耗較低、抗電場干擾能力強。也非常主流。

3、光隔離 (Optical Isolation):

原理： 這是傳統(tǒng)光耦的技術，但在單片隔離器芯片中也被集成。包含一個發(fā)光二極管和一個光電探測器（如光電二極管或光電晶體管），它們之間是透光的絕緣隔離材料。

信號傳輸： 發(fā)送端的電信號驅動LED發(fā)光，光線穿過隔離層照射到光電探測器上，將其轉換為電信號。

特點： 技術成熟，隔離電壓高。但在單片集成芯片中，相比電容/磁隔離，通常速度較慢、功耗較高、LED有老化問題、集成度相對較低?，F(xiàn)在更多用于特殊高壓或模擬隔離場合，數(shù)字領域被電容/磁隔離大量取代。

4、共同特點：

（1）、隔離屏障： 三種技術都依賴物理絕緣層（SiO2, Polyimide等）提供高電壓隔離。

（2）、調(diào)制解調(diào)： 電容和磁隔離普遍采用高頻載波調(diào)制技術（如OOK, PWM）來高效可靠地傳遞數(shù)字信號，克服了傳統(tǒng)光耦LED開關速度慢的缺點。

（3）、集成化： 現(xiàn)代隔離器芯片將發(fā)送器、接收器、隔離介質、甚至電源轉換器（DC-DC隔離）都集成在一個小型封裝（如SOIC, SOIW）內(nèi)，大大簡化了設計。

（4）、高性能： 提供高數(shù)據(jù)傳輸速率、低傳輸延遲、高共模瞬態(tài)抗擾度、寬工作溫度范圍等。

二、隔離器芯片的運用

隔離器芯片的應用極其廣泛，主要集中在需要安全隔離、電平轉換或消除噪聲干擾的場合：

1、工業(yè)自動化和控制：

PLC輸入/輸出模塊隔離。

電機驅動（變頻器）中控制信號與高功率IGBT/MOSFET柵極驅動電路之間的隔離（防止高壓擊穿損壞控制器）。

傳感器接口隔離（消除地線環(huán)路噪聲）。

現(xiàn)場總線通信隔離（RS-485, CAN, Profibus等）。

2、電源管理：

開關電源中初級側（高壓）與次級側（低壓）之間的反饋信號隔離（如光耦的替代）。

隔離式DC-DC轉換器中的控制信號隔離。

太陽能逆變器、UPS中的信號隔離。

3、醫(yī)療電子：

病人監(jiān)護設備（心電圖ECG、血壓計等）中，將接觸病人的部分（應用部分）與主設備及市電網(wǎng)絡隔離，確保病人安全（符合醫(yī)療安規(guī)如IEC 60601-1）。

醫(yī)療成像設備內(nèi)部不同子系統(tǒng)間的隔離。

4、汽車電子：

電動汽車/混合動力汽車中高壓電池管理系統(tǒng)與低壓控制單元之間的通信隔離（CAN FD, SPC）。

車載充電器信號隔離。

電機控制器隔離。

符合汽車安全標準（ISO 26262）的功能安全應用。

5、通信設備：

基站電源隔離。

網(wǎng)絡設備（路由器、交換機）接口隔離（如以太網(wǎng)PHY隔離）。

隔離SPI, I2C, UART等接口。

6、測試與測量設備：

示波器、數(shù)據(jù)采集卡等前端輸入通道隔離，防止被測設備損壞測試儀器，并提高測量精度（消除共模噪聲）。

高精度儀器儀表內(nèi)部敏感電路隔離。

消費電子 (特定應用)：

帶USB接口的智能家電或充電器，有時需要隔離以滿足安全標準或防止噪聲。

某些需要高可靠性的智能家居設備。

7、可再生能源：

太陽能逆變器內(nèi)部的信號隔離（MPPT控制器與功率級之間，通信接口）。

三、主要品牌（制造商）

隔離器芯片市場由幾家大型半導體公司主導，它們提供廣泛的產(chǎn)品線和領先的技術：

1、Analog Devices：

技術： 同時擁有領先的電容隔離（iCoupler®）和磁隔離（isoPower®）技術，尤其在集成隔離電源方面很強。

特點： 產(chǎn)品線非常豐富，性能頂尖（高速度、高CMTI、高可靠性），廣泛用于工業(yè)、汽車、醫(yī)療等高要求領域。代表系列：ADuMxxxx (數(shù)字隔離器), ADuM5xxx (隔離電源+信號)。

2、Texas Instruments：

技術： 主要采用電容隔離技術（SiO2電容屏障）。

特點： 產(chǎn)品線同樣非常廣泛，性價比高，市場占有率很大。提供從基礎隔離器到集成電源、功能安全認證的高端產(chǎn)品。代表系列：ISO70xx, ISO67xx (基礎數(shù)字隔離器), ISOW77xx (集成DC-DC隔離電源)。

3、Silicon Labs：

技術： 主要采用專利的電容隔離技術（CMOS工藝）。

特點： 以低功耗、高集成度、小尺寸著稱，尤其在需要低功耗的IoT、便攜設備應用中受歡迎。代表系列：Si86xx (數(shù)字隔離器)。

4、Infineon：

技術： 提供電容隔離產(chǎn)品（收購Cypress后獲得）。

特點： 在汽車電子和工業(yè)功率控制領域實力強大，提供符合車規(guī)級（AEC-Q100）的產(chǎn)品。代表系列：ISOFACE? (數(shù)字隔離器)。

5、NXP Semiconductors：

技術： 主要提供磁隔離產(chǎn)品。

特點： 在汽車CAN/LIN總線隔離等領域應用廣泛。代表系列：MCU集成隔離或獨立隔離器。

6、ROHM Semiconductor：

技術： 提供光耦兼容的容隔離產(chǎn)品。

特點： 強調(diào)作為傳統(tǒng)光耦的“Pin-Pin”兼容替代品，方便設計替換升級。代表系列：BD7x系列。

7、Broadcom (Avago):

技術： 傳統(tǒng)上是光耦市場的絕對領導者，現(xiàn)在也提供基于其光耦技術的單片集成數(shù)字隔離器（但市場主流已被電容/磁隔離占據(jù)）。

特點： 在高隔離電壓、特定應用（如門極驅動光耦）仍有優(yōu)勢。代表系列：ACPL系列（光耦）， ACNT系列（數(shù)字隔離器）。

8、Vishay：

技術： 傳統(tǒng)光耦大廠，也提供一些數(shù)字隔離器產(chǎn)品。

9、國產(chǎn)廠商 (崛起中)：

納芯微電子：國內(nèi)領先的隔離芯片供應商，產(chǎn)品線覆蓋數(shù)字隔離器、隔離驅動、隔離采樣、隔離接口等，技術實力強，應用廣泛。

川土微電子：提供數(shù)字隔離器、隔離驅動等產(chǎn)品。

榮湃半導體：專注于電容隔離技術。

思瑞浦：提供隔離器等產(chǎn)品。

這些國產(chǎn)廠商在技術、性能和可靠性上進步迅速，性價比高，在國內(nèi)市場占有率不斷提升，并逐漸進入國際市場。

四、選擇要點

選擇隔離器芯片時需要考慮的關鍵參數(shù)和應用因素包括：

1、隔離耐壓： 工作電壓、耐受電壓、浪涌電壓（如VISO, VIOWM, VIOTM, VIOSM），需滿足系統(tǒng)安全標準（如IEC 61010-1, IEC 60601-1, UL等）。

2、數(shù)據(jù)速率/傳輸延遲： 根據(jù)通信協(xié)議（如SPI, CAN FD, USB）要求選擇足夠速度的器件。

3、通道數(shù)和方向： 需要多少路隔離通道？方向是單向還是雙向？

4、共模瞬態(tài)抗擾度： 抵抗隔離屏障兩側快速電壓變化（dV/dt）干擾的能力，越高越好（單位kV/μs）。

5、功耗： 尤其對電池供電設備很重要。

6、工作溫度范圍： 工業(yè)級（-40°C to +105/125°C）或汽車級（-40°C to +125/150°C）。

7、集成功能： 是否需要集成隔離電源？是否需要集成其他功能（如ADC、驅動器）？

8、安全認證： 是否通過VDE, UL, CSA, CQC等機構的安全認證？是否需要功能安全認證（如ISO 26262）？

9、封裝： 尺寸和爬電距離/電氣間隙要求。

10、成本： 在滿足要求的前提下考慮。

五、總結

隔離器芯片是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中保障安全、提升可靠性和信號完整性的關鍵元器件。電容隔離和磁隔離技術憑借其高性能、高集成度和長壽命已成為市場主流，廣泛應用于工業(yè)、汽車、醫(yī)療、能源、通信等領域。國際大廠如ADI、TI、Silicon Labs等占據(jù)主導地位，但以納芯微為代表的國產(chǎn)廠商正在快速崛起。工程師在選擇時需綜合考慮隔離性能、速度、功耗、集成度、安全認證和成本等因素。