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如何成为出色的模拟工程师(三):数字隔离与模拟隔离

时间:2016-04-28 07:15:23  来源:  浏览量:

绝缘材料

数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造,仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化,导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物(如聚酰亚胺PI,它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有众所周知的绝缘特性,并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础,作为高压绝缘体具有悠久的历史。

安全标准通常规定1分钟耐压额定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作电压(典型值125 V rms至400 V rms)。某些标准也会规定更短的持续时间、更高的电压(如10 kV峰值并持续50 μs)作为增强绝缘认证的一部分要求。基于聚合物/聚酰亚胺的隔离器可提高最佳的隔离特性,如表1所示。

基于聚酰亚胺的数字隔离器与光耦合器相似,在典型工作电压时寿命更长。基于SiO2的隔离器对浪涌的防护能力相对较弱,不能用于医疗和其他应用。

各种薄膜的固有应力也不相同。聚酰亚胺薄膜的应力低于SiO2薄膜,可以根据需要增加厚度。SiO2薄膜的厚度有限,因而隔离能力也会受限;超过15 μm时,应力可能会导致晶圆在加工过程中开裂,或者在使用期间分层。基于聚酰亚胺的数字隔离器可以使用厚达26 μm的隔离层。

隔离器结构

数字隔离器使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端,光耦合器则是使用LED光。

变压采用差分连接,提供高达100 kV/μs的出色共模瞬变抗扰度(光耦合器通常约为15 kV/μs)。磁性耦合对变压器线圈间距离的依赖性也弱于容性耦合对板间距离的依赖性,因此,变压变压器线圈之间的绝缘层可以更厚,从而获得更高的隔离能力。结合聚酰亚胺薄膜的低应力特性,使用聚酰亚胺的变压器比使用SiO2的电容更容易实现高级隔离性能。

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