高速單通道光模擬器ISOM871x：性能卓越的數字信號隔離解決方案
高速單通道光模擬器ISOM871x：性能卓越的數字信號隔離解決方案
在電子設計領域，數字信號的隔離處理至關重要，它不僅能保護電路免受干擾，還能提高系統的可靠性和穩定性。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的ISOM871x系列高速單通道光模擬器，看看它是如何在數字信號隔離方面展現出卓越性能的。
文件下載：isom8711.pdf
一、ISOM871x概述
ISOM871x系列包括ISOM8710和ISOM8711兩款產品，它們是單通道光模擬器，能夠為高達25Mbps的數據速率的數字信號提供隔離功能。該系列產品與傳統光耦合器引腳兼容，可以直接替換，這意味著在不進行PCB重新設計的情況下，就能對現有設計進行升級，大大提高了設計的靈活性和效率。
與標準光耦合器使用LED作為輸入級不同，ISOM871x采用了模擬二極管作為輸入級，輸入級通過TI專有的基于二氧化硅（SiO?）的隔離屏障與驅動級隔離，這種隔離屏障不僅提供了強大的隔離性能，還具有一流的共模瞬態抗擾度。
二、產品特性
2.1 引腳兼容與輸出選項
ISOM871x可以直接替代許多傳統光耦合器，其輸出有兩種選項：ISOM8710為CMOS輸出，ISOM8711為開集電極輸出，能滿足不同應用場景的需求。
2.2 寬電源范圍與高速數據傳輸
其電源電壓（VCC）范圍為2.7V至5.5V，具有較寬的適應性。數據傳輸速率高達25Mbps，最大傳播延遲為52ns，最大脈沖寬度失真為17ns，最大傳播延遲偏差為15ns，能夠保證高速、穩定的數據傳輸。
2.3 強大的隔離性能
隔離等級高達3750VRMS，工作電壓為500VRMS，浪涌能力高達10kV，最小瞬態抗擾度為±125kV/μs，能夠有效隔離不同電路之間的電氣干擾，保護設備安全。
2.4 寬溫度范圍與小封裝
工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，適用于各種惡劣的工業環境。采用小型SOIC - 5封裝，節省了電路板空間。
2.5 安全認證
通過了多項安全相關認證，如UL 1577認可（3750VRMS隔離）、DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）符合VDE標準、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1以及CQC GB 4943.1等，為產品的安全性提供了可靠保障。
三、應用領域
ISOM871x的高性能和可靠性使其在多個領域得到廣泛應用，包括但不限于：
- 電源供應：確保電源電路與其他電路之間的隔離，提高電源的穩定性和安全性。
- 電網與電表：在電網監測和電表計量中，有效隔離信號，防止干擾。
- 電機驅動：保護電機驅動電路免受外界干擾，提高電機控制的精度。
- 工廠自動化與控制：實現工業控制系統中不同模塊之間的信號隔離，保障系統的穩定運行。
- 樓宇自動化：在樓宇自動化系統中，隔離不同設備之間的信號，提高系統的可靠性。
- 照明與家電：為照明和家電設備提供可靠的信號隔離，延長設備使用壽命。
四、詳細設計與參數
4.1 引腳配置與功能
| ISOM8710和ISOM8711均采用5引腳SOIC封裝，各引腳功能如下： | 引腳名稱 | 引腳編號 | 類型 | 描述 |
|---|---|---|---|---|
| AN | 1 | I | 二極管模擬器的陽極連接 | |
| CAT | 2 | O | 二極管模擬器的陰極連接 | |
| GND | 3 | GND | VCC和OUT的接地參考 | |
| OUT | 4 | O | 數字數據輸出。對于ISOM8711，需使用電阻RL將該引腳拉至VCC | |
| VCC | 5 | P | 輸出電源 |
4.2 規格參數
4.2.1 絕對最大額定值
在工作結溫范圍內，各參數的絕對最大額定值如下：
- 電源電壓（VCC）： -0.3V至6V
- 輸入反向電壓（VR）：5V
- 輸出集電極電壓（ISOM8711）： -0.3V至VCC + 0.5V
- 輸入正向電流（IF）：25mA
- 峰值瞬態輸入電流（IFT）：1A
- 輸出電流（ISOM8710）： -15mA至15mA
- 輸出集電極電流（ISOM8711）：50mA
- 輸入功率耗散（PDI）：75mW
- 輸出集電極功率耗散（ISOM8711）：85mW
- 工作結溫（TJ）：150°C
- 存儲溫度（Tstg）： -65°C至150°C
需要注意的是，超出絕對最大額定值可能會導致設備永久性損壞。
4.2.2 ESD額定值
- 人體模型（HBM）：±2000V
- 帶電設備模型（CDM）：±1500V
4.2.3 推薦工作條件
- 電源電壓（VCC）：2.7V至5.5V
- 輸入關態電壓（VF(OFF)）：0V至0.8V
- 輸入開態正向電流（IF(ON)）：2mA至20mA
- 輸入關態正向電流（IF(OFF)）：0mA至250μA
- 高態輸出電流（IOH）： -4mA
- 低態輸出電流（ISOM8710）：4mA
- 低態開集電極灌電流（ISOM8711）：13mA
- 數據速率：根據輸入正向電流不同而有所變化，在不同電流范圍內可實現0至25Mbps的數據速率
- 結溫（TJ）： -40°C至130°C
- 環境溫度（TA）： -40°C至125°C
4.2.4 熱信息
| 以DFF（SOIC）5引腳封裝為例，其熱參數如下： | 熱參數 | 描述 | 值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|
| RθJA | 結到環境的熱阻 | 215.9 | °C/W | |
| RθJC(top) | 結到外殼（頂部）的熱阻 | 124.7 | °C/W | |
| RθJB | 結到電路板的熱阻 | 156.9 | °C/W | |
| ψJT | 結到頂部的表征參數 | 91.5 | °C/W | |
| ψJB | 結到電路板的表征參數 | 154.2 | °C/W |
4.2.5 功率額定值
| 在特定測試條件下，最大功耗參數如下： | 參數 | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PD | IF = 20mA，VCC = 5.5V，TJ = 150°C，CL = 15pF，輸入2MHz 50%占空比方波 | 70 | mW | |||
| PD1 | 50 | mW | ||||
| PD2 | 20 | mW |
4.2.6 絕緣規格
ISOM871x的絕緣性能出色，各項絕緣參數如下：
- 外部爬電距離（CPG）：大于5mm
- 外部電氣間隙（CLR）：大于5mm
- 絕緣距離（DTI）：大于17μm
- 相比漏電起痕指數（CTI）：大于400V
- 材料組：II
- 額定電源電壓不同時的過電壓類別：根據不同額定電源電壓有不同的過電壓類別要求
- 最大重復峰值隔離電壓（VIORM）：707VPK
- 最大隔離工作電壓（VIOWM）：500VRMS（交流），707VDC（直流）
- 最大瞬態隔離電壓（VIOTM）：5303VPK
- 最大脈沖電壓（VIMP）：7200VPK
- 最大浪涌隔離電壓（VIOSM）：10000VPK
- 表觀電荷（qpd）：小于等于5pC
- 輸入到輸出的屏障電容（CIO）：1pF
- 輸入到輸出的絕緣電阻（RIO）：在不同條件下有不同要求，如VIO = 500V，TA = 25°C時大于1012Ω
4.2.7 安全相關認證
通過了VDE、CSA、UL、CQC、TUV等多項安全認證，具體認證信息可參考文檔。
4.2.8 安全限制值
為了最小化輸入或輸出電路故障時對隔離屏障的潛在損壞，規定了安全限制值，如安全輸入、輸出或電源電流（IS）、安全輸入、輸出或總功率（PS）以及最大安全溫度（TS）等，這些參數會根據不同的測試條件而有所變化。
4.2.9 電氣特性 - DC
| 在推薦工作條件下，各直流電氣參數如下： | 參數 | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VF | IF = 6mA | 1.3 | 1.5 | 1.8 | V | |
| ICCH | 邏輯高輸出電源電流（特定測試電路，IF = 0mA） | 2 | mA | |||
| ICCL | 邏輯低輸出電源電流（特定測試電路，IF = 6mA） | 2 | mA | |||
| VOH | 邏輯高輸出電壓（ISOM8710，不同測試條件） | V | ||||
| VOL | 邏輯低輸出電壓（ISOM8710和ISOM8711，不同測試條件） | V | ||||
| IOH | 邏輯高輸出電流（ISOM8711，不同測試條件） | 100 | μA | |||
| ITH | 輸入閾值電流 | 0.6 | 1 | 2 | mA | |
| IHYS | 輸入電流滯后 | 0.26 | mA | |||
| IR | 輸入反向電流（VR = 5V，TA = 25°C） | 10 | μA | |||
| CI | 輸入電容（f = 1MHz，VF = 0V） | 4 | pF |
4.2.10 開關特性
ISOM8710開關特性
| 在推薦工作條件下，ISOM8710的開關特性參數如下： | 參數 | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| tr | 輸出信號上升時間（特定測試電路，CL = 15pF） | 10 | ns | |||
| tf | 輸出信號下降時間（特定測試電路，CL = 15pF） | 10 | ns | |||
| tPLH | 輸出低到高轉換的傳播延遲時間（特定測試電路，IF = 6mA到0mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns） | 52 | ns | |||
| tPHL | 輸出高到低轉換的傳播延遲時間（特定測試電路，IF = 0mA到6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns） | 52 | ns | |||
| PWD | 脈沖寬度失真（tPHL - tPLH，特定測試電路，IF = 6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns） | 4.7 | 17 | ns | ||
| tpsk | 器件間延遲偏差（IF = 6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns） | 15 | ns | |||
| CMTIL | 靜態低輸出時的共模瞬態抗擾度（特定測試電路，VCM = 1200Vp - p，IF = 6mA，輸出 = 低） | ±125 | ±150 | kV/μs | ||
| CMTIH | 靜態高輸出時的共模瞬態抗擾度（特定測試電路，VCM = 1200Vp - p，IF = 0mA，輸出 = 高） | ±800 | ±1000 | kV/μs | ||
| TIE | 時間間隔誤差（21? - 1 PRBS數據，20Mbps，IF = 6mA） | 4.2 | 12 | ns |
ISOM8711開關特性
| 在推薦工作條件下，ISOM8711的開關特性參數如下： | 參數 | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| tr | 輸出信號上升時間（特定測試電路，RL = 300Ω，CL = 15pF） | 15 | ns | |||
| tf | 輸出信號下降時間（特定測試電路，RL = 300Ω，CL = 15pF） | 15 | ns | |||
| tPLH | 輸出低到高轉換的傳播延遲時間（特定測試電路，IF = 6mA到0mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns，RL = 300Ω） | 54 | ns | |||
| tPHL | 輸出高到低轉換的傳播延遲時間（特定測試電路，IF = 0mA到6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns，RL = 300Ω） | 54 | ns | |||
| PWD | 脈沖寬度失真（tPHL - tPLH，特定測試電路，IF = 6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns） | 4.8 | 26 | ns | ||
| tpsk | 器件間延遲偏差（IF = 6mA，CL = 15pF，Tr = Tf = 5ns） | 15 | ns | |||
| CMTIL | 靜態低輸出時的共模瞬態抗擾度（特定測試電路，VCM = 1200Vp - p，IF = 6mA，輸出 = 低） | ±125 | ±150 | kV/μs | ||
| CMTIH | 靜態高輸出時的共模瞬態抗擾度（特定測試電路，VCM = 1200Vp - p，IF = 0mA，輸出 = 高） | ±800 | ±1000 | kV/μs | ||
| TIE | 時間間隔誤差（21? - 1 PRBS數據，20Mbps，IF = 6mA） | 3.7 | 12 | ns |
4.3 典型特性曲線
文檔中給出了多個典型特性曲線，如輸入閾值電流與環境溫度的關系、輸出電壓與輸入正向電流的關系、低電平輸出電壓與環境溫度的關系、輸出電源電流與數據速率的關系、傳播延遲時間與環境溫度的關系、脈沖寬度失真與環境溫度和電源電壓的關系等，這些曲線有助于工程師更好地了解ISOM871x在不同條件下的性能表現。
五、應用與實現
5.1 應用信息
ISOM871x使用開關鍵控調制來跨隔離屏障傳輸數據，由于隔離屏障將設備的兩側分開，每側可以在推薦工作條件內獨立供電和提供電流。它還可以用作電流 - 電壓轉換器或電壓電平轉換器，適用于隔離單端數字信號線。通常，像ISOM871x這樣的隔離設備會放置在數據控制器（如MCU或FPGA）與傳感器、數據轉換器或線路收發器之間。
5.2 典型應用示例
以工業應用為例，ISOM871x可以與德州儀器的混合信號微控制器、數模轉換器、變壓器驅動器、CAN收發器、緩沖器和電壓調節器一起使用，創建一個隔離的CAN通信系統。通過替換不同的組件，還可以創建隔離的RS - 485、UART、SPI、GPIO等信號通信系統，此外，還可以用于隔離推薦工作條件內的其他信號，如PWM電源反饋信號。
5.3 設計要求與詳細設計過程
5.3.1 設計要求
設計時需要考慮的參數如下： |
-
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