目前，有關(guān)電子設備使用和設計的**規定層出不窮，使電流隔離器幾乎成為所有數據采集和傳輸系統中的必需。避免控制系統低壓電路在電場(chǎng)中遭受潛在的傳感器和傳動(dòng)器組件高壓損害的一種方法，就是使用數字隔離器。
本文的目的在于告訴大家如何簡(jiǎn)化隔離系統設計，文章除描述電容式數字隔離器的基本功能，詳細介紹如何在信號通路中安裝隔離器外，還就如成功設計提供了一些有價(jià)值的參考意見(jiàn)。
電容式數字隔離器的基本功能
圖1顯示了一個(gè)電容式數字隔離器的簡(jiǎn)化結構圖，該隔離器由一個(gè)高速信號路徑和一個(gè)低速信號路徑組成。高速路徑（藍色部分）傳輸100kbps至150Mbps的信號，而低速路徑（橙色部分）則傳輸100kbps以下信號至dc。
藍色部分所示路徑中處理的高速信號被電容式隔離勢壘分為多個(gè)快速瞬變脈沖群。隨后的觸發(fā)器（FF）將這些瞬態(tài)脈沖群轉換成波形和相位均與輸入信號一致的脈沖。內部看門(mén)狗（WD）檢查高速信號邊緣的周期性。在低頻輸入信號情況下，連續信號邊緣間的持續時(shí)間超出了看門(mén)狗窗口。這樣便迫使看門(mén)狗將輸出開(kāi)關(guān)位置從高速路徑（位置1）改變?yōu)榈退俾窂剑ㄎ恢?）。
低速路徑比高速路徑多出幾個(gè)功能元件。因為低頻輸入信號要求隔離勢壘禁止采用大電容，所以輸入信號被用于對內部振蕩器（OSC）的載波頻率進(jìn)行脈寬調制（PWM）。這就構成了一個(gè)非常高的頻率，能夠通過(guò)該電容勢壘。由于輸入得到了調制，因此必須在實(shí)際數據傳輸至輸出端以前使用低通濾波器（LPF）去除其中的高頻載波。
在信號鏈中的安裝位置
數字隔離器分為單通道、雙通道、三通道及四通道器件，可以實(shí)現單向和雙向運行，它們的共有特性如下：
- 不符合任何特定接口標準；
- 使用3V/5V邏輯開(kāi)關(guān)技術(shù)
- 專(zhuān)為電隔離數字、單端（SE）數據線(xiàn)而設計
雖然后一點(diǎn)似乎是設計上的限制，然而圖2卻顯示了如何對多種接口進(jìn)行隔離，其中包括低壓 SPI、高壓RS232、差分USB和差分CAN/RS485。
所有接口都有一個(gè)相同點(diǎn)，那就是數字隔離器必須安裝在隔離接口的單端3V/5V部分。
由于數字隔離器都具有1到2ns的升降時(shí)間，因此它們在長(cháng)信號走線(xiàn)情況下往往易出現信號反射，其特性阻抗與隔離器輸出的源阻抗不匹配。因此，我們建議在其相應數據接收裝置和數據源（例如：控制器、驅動(dòng)器、接收器和收發(fā)器等）附近安裝一個(gè)隔離器。在設計中如果無(wú)法這樣做，那么就必須使用受控的阻抗傳輸線(xiàn)。
PCB 設計指南
就板而言，要使用標準FR-4環(huán)氧玻璃作為PCB材料，這是由于相比那些廉價(jià)材料，其不但符合UL94-V0要求，而且還擁有更少的高頻介電損耗、更低的吸濕性、更大的強/硬度以及更高的阻燃特性。
要實(shí)現低電磁干擾（）的，這里推薦一個(gè)少四層的設計實(shí)例（請參見(jiàn)圖3），其從上到下分別為：高速信號層、接地層、電源層以及低頻信號層。
在頂層布置高速走線(xiàn)為隔離器及其相應的驅動(dòng)器提供了一目了然的連接。高速走線(xiàn)要短，并避免使用過(guò)孔，以此保證高速走線(xiàn)電感低。
緊接著(zhù)高速信號層放置一個(gè)平衡板面地線(xiàn)層，以確保接地層和信號走線(xiàn)之間存在強大的電氣耦合。這樣便建立起傳輸線(xiàn)互聯(lián)的受控阻抗，同時(shí)也極大地減少了EMI。平衡板面地線(xiàn)層為回流提供了一個(gè)非常好的低電感路徑。
將電源層置于接地層下面。這兩個(gè)參考層構成了一個(gè)大約為100pF/in2的附加高頻旁路電容器。
在底層布線(xiàn)低速控制信號。這些信號鏈路擁有足夠的余量來(lái)承受過(guò)孔引起的中斷，從而實(shí)現了更大的靈活性。
受控阻抗傳輸線(xiàn)是特性阻抗Z0始終受控于其幾何特性的走線(xiàn)。走線(xiàn)長(cháng)度大于15mm（tr=1ns）和 30mm（tr=2ns）時(shí)，走線(xiàn)阻抗必須要與隔離器輸出阻抗Z0~rO匹配（如圖4所示），使信號反射小化。這被稱(chēng)為源阻抗匹配。
隔離器的動(dòng)態(tài)輸出阻抗r0，可以通過(guò)隔離器數據手冊中列出的近似電壓-電流輸出特性線(xiàn)性部分得到。一般來(lái)說(shuō)，標準輸出阻抗大約為70Ω。因此，對一條標準的2盎司鍍銅線(xiàn)和電介質(zhì)為4.5的FR-4而言，接地層上8mm寬、10mm長(cháng)的走線(xiàn)幾何形狀會(huì )產(chǎn)生所需的70Ω特性阻抗。
布線(xiàn)指南
建議遵循下列幾條主要的布線(xiàn)原則，以保持信號完整性和低。
為了將串擾降至10%以下，需保持信號走線(xiàn)是高速信號層到接地層距離的三倍（d=3h）。信號走線(xiàn)下的回流密度遵循1/［1+（d/h）2］函數，因此其在d》3h點(diǎn)上的密度會(huì )非常低，從而避免鄰近走線(xiàn)中出現較大的串擾（請參見(jiàn)圖5）。
使用45度走線(xiàn)彎曲（或者斜切式彎曲）而非90度彎曲，可保持有效的走線(xiàn)阻抗并避免信號反射。
為了實(shí)現在噪聲環(huán)境下的工作，將隔離器的閑置啟動(dòng)輸入通過(guò)一個(gè)電阻器（1kΩ到10kΩ）連接到合適的參考層。將高電平有效、高位允許輸入連接到電源層，同時(shí)將低電平有效輸入連接至接地層。
當過(guò)孔電感增加信號路徑電感時(shí)，要避免各層隨快速信號走線(xiàn)改變。
在隔離器與周?chē)娐分g使用較短的走線(xiàn)長(cháng)度可避免噪聲引入。數字隔離器通常會(huì )帶有隔離式DC/DC轉換器，后者提供了跨越隔離層的電源。由于隔離器的單端傳輸信號對噪聲引入過(guò)于敏感，因此鄰近DC/DC轉換器的開(kāi)關(guān)噪聲可以很容易被長(cháng)信號走線(xiàn)引入。
將大容量電容（比如10μF）置于靠近電源如穩壓器旁，或是在電源進(jìn)入PCB的地方。
通過(guò)將電容的電源端直接連接至器件的電源端，然后經(jīng)過(guò)孔連至Vcc層，在器件上安裝小容量的0.1μF或0.01μF旁路電容。經(jīng)數個(gè)過(guò)孔將電容接地端連接至接地層（請參見(jiàn)圖6）。
將多個(gè)過(guò)孔用于連接旁路電容和其他保護器件（例如：瞬態(tài)電壓抑制器和齊納二極管），從而小化接地連接的過(guò)孔電感。