电感耦合技术的优点是,可能存在的共模差异和差分传输特性。变压器的精心设计允许噪声和信号频率重叠,但是会呈现出噪声高共模阻抗和信号低差分阻抗。另一个优点是,信号能量传输可以为近 100% 的效率,从而使低功耗隔离器成为可能。
电感耦合技术的主要缺点是对外部磁场(噪声)的磁化。工业应用通常要求磁场隔离,例如:马达控制。数字变压器传输中另一个缺点是数据运行长度。一个信号转换器在某一频率和振幅范围内传输信号,并且其失真可以接受。需要数据运行长度限制或时钟编码来将该信号保持在可用变压器带宽内。采用电感耦合技术的通用数字隔离器要求信号处理随同传输低频率信号(1 或 0 长字符)的方法共同对数字信号进行传输和重新构建。NVE 公司/Avago(安华高)公司推出的 Isoloop™,以及 ADI(美国模拟器件公司)推出的 iCoupler™ 均使用了编码功能,并提供了支持从 DC 到 100 Mbps 运行范围的数字隔离解决方案。
ADuM1100 是 ADI 推出的 iCoupler™ 技术的一个例子。ADuM1100 使用一个基本的变压器来实现在一个隔离层上传输信息。这种 Isoloop™ 技术(例如:HCPL-0900)使用一个如图 7 所示的电阻器网络来替换次级线圈。该电阻器由GMR(巨磁电阻)材料组成,这样当磁场发挥作用时该电阻会发生变化。电路感应电阻的变化,并满足其条件,以用于输出。这种技术被首次引入市场时就切实地提高了 AC 性能,超过了现有光耦合器的性能。现在,随着 ADI 最近推出了更多的数字隔离器以及 TI ISO72x 系列器件的推出,这些 Isoloop™ 器件的性能已经被超越。

图 7、GMR 结构图
3.3 电容耦合技术
电容耦合技术是在隔离层上采用一个不断变化的电场传输信息。各电容器极板之间的材料是一个电介质隔离器,并形成隔离层。该极板尺寸、极板之间的间隔和电介质材料等都决定着电气性能。

图 8、电容耦合
使用一个电容隔离层的好处是,在尺寸大小和能量传输方面的高效率,以及对磁场的抗扰度。前者使低功耗和低成本集成隔离电路成为可能;而后者使在饱和或高密度磁场环境下运行成为可能。
电容耦合技术的缺点是其没有差分信号和噪声,并且信号共用相同的传输通道,这一点与变压器不同。这就要求信号频率要大大高于噪声预期频率,这样隔离层电容就呈现出信号的低阻抗,以及噪声的高阻抗。使用了电感耦合以后,电容耦合就不能传输稳定状态信号,并需要时钟编码数据。
3.3.1 TI 推出的 ISO721
TI 推出的 ISO72x 系列隔离器采用电容耦合技术。电容耦合解决方案采用业经验证的、低成本生产制造工艺,并对磁场具有内在的抗扰度。
为了提供恒定信息的传输,ISO72x 使用一个高信号速率和低信号速率通道来进行通信,如图 9 所示。高信号速率通道未被编码,并且其在一个单端到差分转换之后的隔离层上传输数据。该低信号速率通道以一种脉宽调制格式对数据进行编码,并在隔离层上差分传输数据,从而确保了恒定状态的精确通信(1 和 0 的长字符)。
单端逻辑信号在隔离层上的差分传输允许使用低电平信号和小耦合电容。这就呈现出对共模噪声的高阻抗,并且,通过接收机的共模噪声抑制,带来了优异的瞬态抗扰度,也即信号电容耦合需要解决的主要问题。

图 9、ISO72x 与 ISO72xM 的结构图
3.4 隔离性能
三个主要标准验证了对于隔离保护的必要性,其分别为 UL 1577、IEC 60747-5-2 和 CSA。虽然每一种标准都稍有不同,但是均提供了一个对比隔离性能的标准。IEC、UL 和 CSA 的测试证实了输入和输出之间电介质击穿以外的电压。运用这些标准非常简单,因为测试标准和隔离方法无关。图 10 显示了隔离测试是如何将隔离器看作是两端器件的。尽管每种器件的物理结构存在差异,但隔离测试却是在电介质击穿电压上测定的。

图 10、两端隔离电压测试
UL 1577、IEC 60747-5-2、IEC 61010-1 和 CSA 测试了 ISO72x 系列隔离性能。
表 1 显示了说明该三种隔离技术的这五个器件的隔离性能。

所有这三个测试,即 UL、CSA 和 IEC,均对隔离层的质量进行了测试。UL 和 CSA 测试均为应力测试,其使用由厂商设置的规定时间对电介质击穿电压进行测试。在该测试期间,电介质的击穿就是出现的一个故障。IEC 测试使用一种被称为局部放电的现象来探测电介质内的无效 (void)。一个大电压被应用于该器件中,其是由厂商定义的工作电压的一个函数,然后被降低至另一个电压电平,即 Vm。在该低压应用中,对被测试器件进行电介质内的无效局部放电监控。这些无效会导致整个电介质的最终击穿。