Leitfaden zum Verständnis und Auswahl digitaler Isolatoren

Die elektronische Isolation ist ein großartiges Verfahren zum Schutz der Elektronik, insbesondere in Schaltungen, die Hochspannungen von 50 Volt bis 1200 Kilovolt ausgesetzt sind.Im Laufe der Jahre haben sich Schaltungsschutztechnologien von Optikopplern auf optisch basiertem zu effizienteren Siliziumbasislösungen entwickelt, wobei digitale Isolatoren bei Designern die bevorzugte Wahl wurden.In diesem Artikel werden wir die verschiedenen Aspekte digitaler Isolatoren, ihre Vorteile und ihre Anwendung in modernen elektronischen Systemen diskutieren.

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Digitale Isolatoren verstehen

Digitale Isolatoren sind fortschrittliche Geräte, die digitale Signale über eine Isolationsbarriere übertragen und gleichzeitig die Trennung erhalten.Diese Barrieren werden üblicherweise in der Nähe des Analog-Digital-Wandlers (ADC), zwischen dem programmierbaren Feldarray (FPGA) und dem Mikroprozessor oder zwischen verschiedenen Grenzflächenbrettern gefunden.Es soll die MCU-Datenlinie (Microcontroller Unit) vor potenziellen Risiken, die durch einen Digital-Analog-Wandler eingeführt wurden, abgeschirmt.Ein Aspekt ihrer Funktionalität besteht darin, eine isolierte Stromversorgung zu verwenden, die einen unerwünschten Stromfluss zwischen Schaltungen verhindert, elektrische Rauschen reduziert und die Signalintegrität schützt.

Auch eine elektronische Komponente, die digitale Signale zwischen verschiedenen Teilen eines Systems isoliert und überträgt und gleichzeitig die elektrische Trennung beibehält.Es ist so konzipiert, dass es eine gute Kommunikationsverbindung zwischen Schaltungen oder Subsystemen bietet, die in unterschiedlichen Spannungsniveaus arbeiten, ohne dass der elektrische Strom direkt zwischen ihnen fließen kann.Diese Isolation schützt empfindliche Komponenten und reduziert das elektrische Rauschen in digitalen Geräten.

Funktionen eines digitalen Isolators

Kapazitiver digitaler Isolator

Ein kapazitierter digitaler Isolator besteht aus zwei isolierten Kondensatoren und zwei separaten Bodenebenen mit Eingangs- und Ausgangsstiften auf der linken und rechten Seite des Geräts.Wenn das Eingangssignal mit einer Stromversorgung verbunden ist, wird sie aktiviert und durchläuft eine Hochspannungsbarriere mit Unterstützung eines übertragenden IC (integrierter Schaltung).Dadurch kann das Eingangssignal das empfangende IC sicher erreichen.

Sobald das Signal die Empfangsseite erreicht hat, wird der Ausgang zu einem separaten Boden angetrieben, was dem elektronischen Gerät vor elektrischem Stoß und anderen potenziellen Gefahren schützt.Kapazitive digitale Isolatoren verwenden typischerweise komplementäre Metal-Oxid-Sämiener (CMOS) oder Transistor-Transistor-Logik (TTL) -Technologie (TTL).Diese Geräte weisen spezifische Ausgangszustände (hohe, niedrige und Standardmodi) auf, die im Funktionsabschnitt des Geräts des Datenblattes beschrieben sind.Die folgende Tabelle zeigt typische Logikzustände für einen kapazitiven digitalen Isolator:

VCC1 (Machtstaat)	VCC2 (Machtzustand)	Eingang (Logikstufe)	Ausgabe (Logikstufe)	Komponenten
Pull-up (Pu)	Pull-up (Pu)	Niedrig	Niedrig	Isolierung Barriere, Level Shifter, Ausgangspuffer
Pull-up (Pu)	Pull-up (Pu)	Hoch	Hoch	Isolierung Barriere, Level Shifter, Ausgangspuffer
Pull-up (Pu)	Pulldown (PD)	Niedrig	Standard	Isolierung Barriere, Level Shifter
Pull-up (Pu)	Pulldown (PD)	Hoch	Standard	Isolierung Barriere, Level Shifter
Pulldown (PD)	Pull-up (Pu)	Niedrig	Undefiniert	Isolierung Barriere, Level Shifter
Pulldown (PD)	Pull-up (Pu)	Hoch	Undefiniert	Isolierung Barriere, Level Shifter
Pulldown (PD)	Pulldown (PD)	Niedrig	Undefiniert	Isolierung Barriere
Pulldown (PD)	Pulldown (PD)	Hoch	Undefiniert	Isolierung Barriere
Gleichgültig (x)	Gleichgültig (x)	Gleichgültig (x)	Standard	Isolierung Barriere

Wie in der Tabelle gezeigt, wird die Ausgabe des digitalen Isolators eine Fehlfunktion im logischen Zustand erfasst, wenn sowohl VCC1 als auch VCC2 auf "gleichgültige" Zustände (x) eingestellt sind, die als fehlgedichtes hoher Funktion bezeichnet wird.Umgekehrt kann der Ausgang, wenn sich VCC1 und VCC2 in einer spezifischen Leistungsstatuskombination befinden, eine ausfallsichere niedrige Wirkung initiieren, was potenzielle Brownout-Bedingungen im digitalen Isolator verhindert.

Die Stromversorgungsspannung für VCC1 und VCC2 kann zwischen 1,7 V und 6,0 ​​V reichen, obwohl bestimmte Geräte möglicherweise höhere Spannungsbereiche unterstützen.

Isolatorkomponenten unterstützen Eingangs- und Ausgangslogikpegel.

• Isolationsbarriere

Bietet eine elektrische Isolierung zwischen Eingangs- und Ausgangslogikkreisen.Diese Isolierung kann durch kapazitive, magnetische oder optische Kopplung erreicht werden, um sicherzustellen, dass das Signal die Hochspannungsbarriere sicher überschreitet.

• Level Shifter

Behält die geeigneten Spannungsniveaus zwischen der Eingangs- und Ausgangslogik bei, sodass die Signalintegrität über verschiedene Spannungsdomänen hinweg sicherstellt.

• Ausgangspuffer

Verwaltet das Ausgangssignal und sorgt dafür, dass die angeschlossene Last effektiv und mit ausreichender Festigkeit treiben kann.

Wie werden kapazitive digitale Isolatoren konstruiert?

Kapazitive digitale Isolatoren werden in der fortschrittlichen CMOS-Technologie verwendet, die zwei integrierte Schaltkreise (ICs) enthält, die durch Bindungsdrähte oder Hochspannungs-resistente Verbindungen verknüpft sind.Die isolierende Komponente besteht aus einer doppelten Siliziumdioxidschicht, die eine kapazitive Barriere bildet, die zur Behandlung von Hochspannungssituationen dient.Der Konstruktionsprozess erfordert ein tiefes Verständnis der Logik -Gates und CMOS -Prinzipien, um die strenge Einhaltung der Fertigungsstandards zu gewährleisten.

CMOS -Technologie in Isolatorkonstruktion

Die Implementierung der CMOS -Technologie wird aufgrund ihrer außergewöhnlichen Effizienz und Stromverbrauch bevorzugt.Dieser Ansatz ermöglicht die Integration zahlreicher Transistoren in einen Chip, wodurch komplizierte Funktionen in kompakte Dimensionen ermöglicht werden.Ein solches Attribut ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die Raumeffizienz und Energieeinsparung fordern, wie in medizinischen Geräten und Automobilsystemen.

Die doppelte Siliziumdioxid -Kapazitive -Barriere

Die doppelte Siliziumdioxidschicht fungiert als primärer Isolator in kapazitiven digitalen Isolatoren.Eine starke kapazitive Barriere zu bilden, ist ihre zentrale Rolle.Diese Barriere gilt für die Fähigkeit des Isolators, Hochspannungen zu verwalten und gleichzeitig die Signalintegrität zu erhalten.Durch eine akribische Schichttechnik stellen die Hersteller sicher, dass die kapazitive Barriere elektrische Potentiale effektiv trennt, wodurch der Gleichstromabfluss abnimmt und das Risiko eines elektrischen Versagens mindert.

Bindungsdrähte und hochspannungsresistente Verbindungen

Kapazitive digitale Isolatoren verwenden Bindungsdrähte oder speziell formulierte hochspannungsresistente Verbindungen, um die ICs zu verbinden.Diese Verbindungsmethode verstärkt die strukturelle Integrität des Geräts.Durch fleißige Auswahl von Materialien, die Hochspannungen und Umweltbelastungen ertragen können, erhöhen die Hersteller die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Isolators, was für Industrie- und Luft- und Raumfahrtanwendungen von wesentlicher Bedeutung ist.

Navigierende Logik -Tore und CMOS -Technologie

Umfassendes Verständnis der Logik -Gates und der CMOS -Technologie wesentlich für die Erzeugung effektiver kapazitierter digitaler Isolatoren.Logik -Tore wirken als Elemente digitaler Schaltungen und führen die Signalverarbeitung innerhalb des Isolators durch.Kenntnisse in der CMOS -Technologie stellt sicher, dass diese Gates mit größter Effizienz funktionieren, was zu einer zuverlässigen Leistung unter verschiedenen elektrischen Bedingungen führt.

Einhaltung der Herstellungsprotokolle

Protokolle regeln ihre Konstruktion, umfassen gute Qualitätskontrollen, präzise Materialhandhabung und fortschrittliche Herstellungstechniken.Durch die Befolgung dieser Standards stellen die Hersteller sicher, dass sich die Isolatoren für Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit mit den Branchen -Benchmarks übereinstimmen und so Sektoren wie Telekommunikation und Gesundheitswesen bedienen.

Der Aufbau kapazitierter digitaler Isolatoren erfordert einen raffinierten Ansatz, der fortschrittliche Technologie, langlebige Materialien und strenge Protokolle integriert.Diese Komponenten gipfeln gemeinsam in Hochleistungs-Isolatoren, die in anspruchsvollen Umgebungen zuverlässig sind.

Isolationsarchitekturen

Kapazitive Isolatoren arbeiten unter Verwendung von zwei primären Modulationsarchitekturen: Edge- und ON-Off-Keying (OOK).Diese Methoden weisen einzigartige Merkmale auf und rechtfertigen eine sorgfältige Prüfung auf der Grundlage anwendungsspezifischer Anforderungen und Umweltbedingungen.

Ein auf Kantenbasis basierender Isolator verwendet sowohl einen Hochfrequenzkanal (von 100 kbit / s bis 150 Mbit / s) als auch einen Niederfrequenzkanal (über DC bis 100 kbit / s).Die Differentialsignalerzeugung ermöglicht durch ein Wechselrichtertor, wenn eine Eingangsimpulsdauer vier Sekunden erreicht.Transiente Impulse werden über ein Kondensatorressistor-Netzwerk erstellt, das der Ausgangsmultiplexer dann auf der Grundlage der Zeitintervalle zwischen diesen Transienten intelligent zwischen diesen Transienten intelligent wechselt.

Die Vielseitigkeit des Systems führt zu zusätzlichen Anfragen zum Zeitpunkt des Timings im Niederfrequenzkanal.In der Tat überwacht ein interner Oszillator dies und hebt hervor.Ein Tiefpassfilter anschließend fein die Frequenz vor Ausgabe der Signale und optimiert die Übertragungsqualität der Trägerwellen.

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Stromverbrauch

Edge-basierte Isolatoren haben den faszinierenden Vorteil des minimierten Stromverbrauchs-sie aktivieren nur während der tatsächlichen Datenübertragung.Edge-basierte Isolatoren können die Akkulaufzeit zutiefst verlängern und sie ideal für energiebewusste Anwendungen machen.Können diese Isolatoren ohne rechtzeitige Regeneration der Eingabestatus Brownouts und Signalfehler zuverlässig abgeben.Diese Sicherheitsanfälligkeit ist etwas, das man sorgfältig berücksichtigen muss.

Kontinuierlicher Betrieb und Zuverlässigkeit

OK-Isolatoren (ON-Off-Keying), obwohl sie mehr Strom fordern, sorgen für eine konstante Leistung durch die kontinuierliche Übertragung modulierter Signale.Dies führt zu dem kontinuierlichen Betrieb von OOK -Isolatoren eliminiert das Risiko von Signalunterbrechungen effektiv.Sie für Anwendungen, die unerschütterliche Zuverlässigkeit erfordern, unverzichtbar machen.Nehmen Sie medizinische Geräte als Beispiel, bei dem solche Geräte häufig eine unregelmäßige Datenintegrität erfordern, eine Notwendigkeit, die durch die ständige Signalaufnahme von OOK -Isolatoren erfüllt ist, um sicherzustellen, dass die Daten unversehrt bleiben.

Rauschreduktion und vorübergehende Reaktion

OOK -Isolatoren sind außergewöhnlich bei der Bekämpfung von elektrischen Rauschen und zur Behandlung von Swift -transienten Signalen.Ihre Kenntnisse in solchen Bereichen sind ein relevantes für Szenarien, die Ook -Isolatoren andere übertreffen, insbesondere in Bezug auf die Geräuschimmunität.Industrielle Automatisierungssysteme, die notorisch in elektrisch kakophonen Umgebungen arbeiten, können stark profitieren.Durch die Aufrechterhaltung der Signalintegrität und der Systemzuverlässigkeit beweisen OOK -Isolatoren in diesen Einstellungen.

Spezifische Überlegungen zur Isolatorauswahl

Betrachten Sie bei der Auswahl eines digitalen Isolators die folgenden Faktoren:

• Stromverbrauch

• Datenübertragungsrate

• Immunität der gemeinsamen Modus

Diese Überlegungen müssen den Anforderungen Ihres Projekts entsprechen.Beispielsweise erfordert Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikationsprojekte Isolatoren mit überlegenen Datenübertragungsraten.Umgekehrt müssen Systeme in Hochspannungsumgebungen Isolatoren mit einer verbesserten Immunität des gemeinsamen Modus priorisieren.

Randbasierte Isolatoren übertreffen die Energieeffizienz, während OOK-Isolatoren eine unübertroffene Zuverlässigkeit und Geräuschimmunität bieten.Eine sorgfältige Bewertung der Umweltbedingungen und -projektanforderungen führt Sie zum optimalen digitalen Isolator für Ihr Projekt.

Abschluss

Digitale Isolatoren sind erforderlich, um Kommunikationssignale aus Hochspannungen abzuschirmen, die die Systemisolierung untergraben könnten.Ihre Anwendung umfasst programmierbare Logik-Controller (SPS), Automobilkameras, Kommunikationssysteme, Medizinprodukte und Fahrerassistentensysteme.Dieser Leitfaden hat den Betrieb und die Architektur digitaler Isolatoren sorgfältig untersucht und gleichzeitig Auswahlberatung anbietet.Es ist die Integrität von Kommunikationssystemen in Hochspannungsszenarien.Durch die Verhinderung des Schadens von Hochspannungsstößen verbessern sie die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit verschiedener elektronischer Geräte erheblich.Insbesondere im Automobil- und medizinischen Sektor könnte das Versagen dieser Geräte zu schwerwiegenden Folgen führen.