ISO72x系列單通道高速數(shù)字隔離器：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點(diǎn)

在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)字隔離器是保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的ISO721、ISO721M、ISO722和ISO722M單通道高速數(shù)字隔離器。

文件下載：iso722.pdf

一、特性亮點(diǎn)

1. 高速信號傳輸

ISO72x系列提供100Mbps和150Mbps兩種信號速率選項，能夠滿足不同高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。同時，其典型傳播延遲僅為12ns，脈沖偏斜典型值為0.5ns，確保了信號的快速、準(zhǔn)確傳輸。

2. 低功耗與長壽命

具備低功耗睡眠模式，可有效降低系統(tǒng)功耗。在額定工作電壓下，典型使用壽命可達(dá)28年，為長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

3. 高電磁兼容性

擁有高電磁抗擾度，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，減少外界干擾對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

4. 故障安全輸出

當(dāng)輸入電源丟失或未被有效驅(qū)動時，故障安全電路會將輸出驅(qū)動到邏輯高電平，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

5. 廣泛的兼容性

可作為大多數(shù)光耦和磁隔離器的直接替代品，并且能夠在3.3V和5V電源下工作，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，具有良好的通用性。

6. 安全認(rèn)證齊全

獲得了DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）、UL 1577組件認(rèn)可計劃以及IEC 61010 - 1、IEC 62368 - 1等多項安全相關(guān)認(rèn)證，滿足不同應(yīng)用場景的安全要求。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

ISO72x系列數(shù)字隔離器在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：

1. 工廠自動化

可用于Modbus、Profibus?、DeviceNet?等數(shù)據(jù)總線，保障工業(yè)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2. 計算機(jī)外設(shè)接口

在計算機(jī)與各種外設(shè)之間提供電氣隔離，防止噪聲干擾和設(shè)備損壞。

3. 伺服控制接口

確保伺服控制系統(tǒng)中信號的準(zhǔn)確傳輸，提高控制精度和穩(wěn)定性。

4. 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，隔離器可以有效隔離噪聲，提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

三、產(chǎn)品描述

1. 隔離原理

ISO72x系列設(shè)備通過二氧化硅（SiO?）絕緣屏障將邏輯輸入和輸出緩沖器分隔開，該屏障可提供高達(dá)4000V??的電隔離（根據(jù)VDE 0884 - 17標(biāo)準(zhǔn)）。結(jié)合隔離電源使用時，能防止數(shù)據(jù)總線或其他電路上的噪聲電流進(jìn)入本地接地，避免干擾或損壞敏感電路。

2. 信號處理流程

二進(jìn)制輸入信號經(jīng)過調(diào)理后轉(zhuǎn)換為平衡信號，再通過隔離屏障進(jìn)行差分處理。在隔離屏障另一側(cè)，差分比較器接收邏輯轉(zhuǎn)換信息，相應(yīng)地設(shè)置或重置觸發(fā)器和輸出電路。同時，會定期發(fā)送更新脈沖以提供輸出的正確直流電平。

3. 故障安全機(jī)制

如果超過4μs未接收到直流刷新脈沖，輸入將被視為未供電或未被有效驅(qū)動，故障安全電路會將輸出驅(qū)動到邏輯高電平。

4. 電源與輸入輸出特性

這些設(shè)備需要兩個3.3V、5V或任意組合的電源電壓。當(dāng)由3.3V電源供電時，所有輸入都能耐受5V電壓，所有輸出均為4mA CMOS。

5. 不同型號特點(diǎn)

• ISO722和ISO722M：包含一個低電平有效輸出使能端，當(dāng)驅(qū)動到高邏輯電平時，輸出將處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，并關(guān)閉內(nèi)部偏置電路以節(jié)省功耗。
• ISO721和ISO722：具有TTL輸入閾值和輸入噪聲濾波器，可防止持續(xù)時間長達(dá)2ns的瞬態(tài)脈沖傳遞到設(shè)備輸出。
• ISO721M和ISO722M：具有CMOS VCC / 2輸入閾值，但沒有噪聲濾波器和額外的傳播延遲，能夠?qū)崿F(xiàn)低抖動操作。

四、設(shè)備對比

工程師在選擇時，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，如信號速率、是否需要輸出使能、對噪聲的敏感度等因素來綜合考慮。

五、引腳配置與功能

六、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對最大額定值

在使用過程中，必須注意設(shè)備的絕對最大額定值，如電源電壓（VCC）范圍為 -0.5V至6V，輸入電壓（VI）范圍為 -0.5V至VCC + 0.5V（最大不超過6V）等。超出這些范圍可能會導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

2. ESD額定值

該系列設(shè)備的人體模型（HBM）靜電放電額定值為 ±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±1000V，在操作時需要注意靜電防護(hù)。

3. 推薦工作條件

推薦的電源電壓范圍為3V至5.5V，不同型號的輸入脈沖持續(xù)時間和信號速率要求有所不同。同時，環(huán)境溫度范圍為 -40°C至125°C，結(jié)溫不超過150°C。

4. 熱信息

了解設(shè)備的熱特性對于確保其正常工作至關(guān)重要。例如，ISO72x在不同電路板條件下的熱阻參數(shù)不同，在設(shè)計散熱方案時需要參考這些參數(shù)。

5. 功率額定值

在不同的工作條件下，設(shè)備的功率消耗也有所不同。如ISO721和ISO722在特定條件下的功率耗散典型值為159mW，ISO721M和ISO722M為195mW。

6. 安全限制值

安全限制值用于最小化輸入或輸出電路故障時對隔離屏障的潛在損壞，如安全輸入、輸出或電源電流限制以及安全溫度限制等。

7. 絕緣規(guī)格

包括外部間隙（CLR）、外部爬電距離（CPG）、絕緣距離（DTI）、比較跟蹤指數(shù)（CTI）等參數(shù)，這些參數(shù)對于確保設(shè)備的電氣絕緣性能至關(guān)重要。

8. 安全相關(guān)認(rèn)證

獲得的多項安全認(rèn)證為設(shè)備在不同應(yīng)用場景中的使用提供了保障，工程師在設(shè)計時需要確保系統(tǒng)符合相應(yīng)的認(rèn)證要求。

9. 電氣和開關(guān)特性

詳細(xì)的電氣和開關(guān)特性參數(shù)，如電源電流、輸出電壓、傳播延遲、脈沖偏斜、抖動等，為工程師評估設(shè)備性能和進(jìn)行電路設(shè)計提供了依據(jù)。

七、應(yīng)用與設(shè)計要點(diǎn)

1. 應(yīng)用信息

ISO72x系列采用單端TTL或CMOS邏輯開關(guān)技術(shù)，適用于隔離單端CMOS或TTL數(shù)字信號線。在設(shè)計時，通常將隔離器放置在數(shù)據(jù)控制器（如μC或UART）與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或線路收發(fā)器之間。

2. 典型應(yīng)用示例

以ISO721為例，可以與德州儀器的微控制器、CAN收發(fā)器、變壓器驅(qū)動器和低壓差穩(wěn)壓器配合使用，構(gòu)建隔離CAN接口。

3. 設(shè)計要求

與光耦不同，ISO72x系列設(shè)備僅需要兩個外部旁路電容即可工作，簡化了設(shè)計。

4. 詳細(xì)設(shè)計步驟

在電路連接時，要注意旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳。同時，該系列隔離器與大多數(shù)其他供應(yīng)商的產(chǎn)品具有相同的功能引腳布局，常可進(jìn)行引腳對引腳的直接替換，但在替換時需要注意不同產(chǎn)品在傳播延遲、信號速率、功耗和瞬態(tài)保護(hù)等級等方面的差異。

5. 電源供應(yīng)建議

為了確保設(shè)備在數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，必須在輸入和輸出電源引腳（VCC1和VCC2）放置0.1μF的旁路電容。如果應(yīng)用中只有單個初級側(cè)電源，可借助變壓器驅(qū)動器（如德州儀器的SN6501）為次級側(cè)生成隔離電源。

6. 布局要點(diǎn)

• 布局準(zhǔn)則：為實現(xiàn)低EMI PCB設(shè)計，至少需要四層電路板，層疊順序應(yīng)為高速信號層、接地層、電源層和低頻信號層。高速信號應(yīng)在頂層布線，避免使用過孔；接地層應(yīng)緊鄰高速信號層，以提供低電感回流路徑；電源層緊鄰接地層可增加高頻旁路電容；低速控制信號可在底層布線。
• PCB材料選擇：對于工作頻率低于150Mbps、上升和下降時間大于1ns、走線長度不超過10英寸的數(shù)字電路板，建議使用標(biāo)準(zhǔn)FR - 4 UL94V - 0印刷電路板，因其具有低高頻介電損耗、低吸濕性、高強(qiáng)度和剛度以及自熄性等優(yōu)點(diǎn)。

八、設(shè)備與文檔支持

1. 設(shè)備支持

德州儀器提供了多個參考設(shè)計和IBIS模型，為工程師的開發(fā)工作提供了便利。

2. 文檔支持

相關(guān)文檔包括數(shù)字隔離器設(shè)計指南、隔離術(shù)語表、隔離RS - 485參考設(shè)計應(yīng)用報告和ISO721EVM用戶指南等，工程師可以從中獲取更多的設(shè)計信息和技術(shù)支持。

3. 文檔更新通知

工程師可以在ti.com上注冊設(shè)備產(chǎn)品文件夾的通知，以接收每周的產(chǎn)品信息更新摘要。

4. 支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、可靠答案和設(shè)計幫助的重要渠道。

5. 注意事項

該集成電路容易受到ESD損壞，在操作時需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

綜上所述，ISO72x系列單通道高速數(shù)字隔離器具有眾多優(yōu)秀特性和廣泛的應(yīng)用場景，在設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇型號，并嚴(yán)格遵循設(shè)計要點(diǎn)和注意事項，以確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用數(shù)字隔離器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。