ISO721-Q1與ISO722-Q1高速數(shù)字隔離器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)字隔離器是保障電路安全和信號穩(wěn)定傳輸?shù)年P(guān)鍵組件。今天我們要深入探討的ISO721-Q1和ISO722-Q1 3.3V與5V高速數(shù)字隔離器，來自德州儀器（Texas Instruments），它們在性能、安全和應(yīng)用方面都有著出色的表現(xiàn)。

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一、特性亮點(diǎn)

高速與低延遲

這兩款隔離器提供100Mbps的信號速率選項(xiàng)，典型傳播延遲僅為12ns，脈沖偏斜典型值為0.5ns。這樣的高速和低延遲特性，使得它們在對信號傳輸速度和準(zhǔn)確性要求極高的應(yīng)用中表現(xiàn)卓越，比如高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

低功耗與長壽命

具備低功耗睡眠模式，在額定工作電壓下典型壽命可達(dá)28年（參考絕緣特性曲線）。這不僅降低了系統(tǒng)的能耗，還延長了設(shè)備的使用壽命，減少了維護(hù)成本。

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，確保系統(tǒng)在異常情況下仍能保持安全狀態(tài)。

兼容性與寬溫度范圍

可作為大多數(shù)光耦和磁隔離器的直接替代品，能在3.3V和5V電源下工作，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

安全認(rèn)證

通過了多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如DIN EN IEC 60747-17（VDE 0884-17）、UL 1577組件認(rèn)可計(jì)劃以及IEC 61010-1、IEC 62368-1認(rèn)證，為系統(tǒng)的安全性提供了可靠保障。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)自動化

在工廠自動化系統(tǒng)中，可用于Modbus、Profibus?和DeviceNet?等數(shù)據(jù)總線，有效隔離噪聲電流，保護(hù)敏感電路，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

計(jì)算機(jī)外設(shè)接口

在計(jì)算機(jī)與各種外設(shè)之間提供可靠的信號隔離，防止干擾和損壞，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

伺服控制接口

為伺服控制系統(tǒng)提供高速、低延遲的信號隔離，保證控制信號的精確傳輸，提高伺服系統(tǒng)的性能。

數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，隔離器能夠有效隔離噪聲，提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

三、產(chǎn)品描述

隔離原理

ISO721-Q1和ISO722-Q1采用二氧化硅（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)4000VPK的電氣隔離（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。

信號傳輸過程

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，周期性的更新脈沖會穿過屏障，以提供輸出的正確直流電平。

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。

電源要求

這兩款設(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，所有輸入都能承受5V電壓，所有輸出均為4mA CMOS。

ISO722-Q1的特殊功能

ISO722-Q1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。

輸入閾值和噪聲濾波

ISO721-Q1和ISO722-Q1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)備輸出端。

四、設(shè)備對比

從對比表中可以看出，ISO722-Q1比ISO721-Q1多了輸出使能功能，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

五、引腳配置與功能

引腳圖

ISO721-Q1和ISO722-Q1采用8引腳SOIC封裝，其引腳配置清晰明了，方便工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

引腳功能

六、規(guī)格參數(shù)

絕對最大額定值

了解設(shè)備的絕對最大額定值非常重要，它能幫助我們避免因超出額定范圍而導(dǎo)致設(shè)備損壞。例如，電源電壓（VCC1和VCC2）的范圍為 -0.5V至6V，輸出電流為 ±15mA，最大虛擬結(jié)溫為170°C。

推薦工作條件

在推薦工作條件下，設(shè)備能發(fā)揮最佳性能。如電源電壓（VCC1和VCC2）范圍為3V至5.5V，高電平輸出電流最大為4mA，低電平輸出電流為 -4mA，輸入脈沖持續(xù)時間最小為10ns等。

熱信息

熱信息對于評估設(shè)備在不同環(huán)境下的散熱性能至關(guān)重要。包括結(jié)到環(huán)境的熱阻、結(jié)到外殼（頂部）的熱阻、結(jié)到電路板的熱阻等參數(shù)，這些參數(shù)能幫助工程師設(shè)計(jì)合理的散熱方案。

功率額定值

在特定測試條件下（VCC1 = VCC2 = 5.5V，TJ = 150°C，CL = 15pF，輸入100Mbps 50%占空比方波），設(shè)備的功率耗散最大為159mW。

絕緣規(guī)格

絕緣規(guī)格是數(shù)字隔離器的關(guān)鍵指標(biāo)之一。外部間隙（CLR）和外部爬電距離（CPG）均為4mm，通過絕緣層的距離（DTI）為0.008mm，比較跟蹤指數(shù)（CTI）≥400V等，這些參數(shù)確保了設(shè)備的電氣隔離性能。

安全相關(guān)認(rèn)證

通過的安全相關(guān)認(rèn)證為設(shè)備的安全性提供了權(quán)威保障，如VDE認(rèn)證（DIN EN IEC 60747-17）、CSA認(rèn)證（IEC 62368-1）和UL認(rèn)證（UL 1577組件認(rèn)可計(jì)劃）。

安全限制值

安全限制值旨在最小化輸入或輸出電路故障時對隔離屏障的潛在損壞。例如，安全輸入、輸出或電源電流在不同條件下有相應(yīng)的限制值，安全溫度為150°C。

電氣特性

電氣特性包括不同電源電壓下的電源電流、輸出電壓、輸入電流、輸入電容和共模瞬態(tài)抗擾度等參數(shù)。這些參數(shù)會因電源電壓的不同而有所變化，工程師在設(shè)計(jì)時需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

開關(guān)特性

開關(guān)特性描述了設(shè)備在信號轉(zhuǎn)換過程中的性能，如傳播延遲、脈沖偏斜、輸出信號上升時間和下降時間等。不同電源電壓下的開關(guān)特性也有所差異，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行評估。

七、參數(shù)測量信息

文檔中詳細(xì)介紹了各項(xiàng)參數(shù)的測量電路和電壓波形，為工程師進(jìn)行參數(shù)測量提供了準(zhǔn)確的指導(dǎo)。例如，開關(guān)特性測試電路、睡眠模式輸出測試電路、故障安全延遲時間測試電路和共模瞬態(tài)抗擾度測試電路等。

八、詳細(xì)描述

概述

ISO72x-Q1系列設(shè)備通過基于二氧化硅的隔離屏障傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。輸入信號由發(fā)射器采樣，在每個數(shù)據(jù)邊沿，發(fā)射器會發(fā)送相應(yīng)的差分信號穿過隔離屏障。當(dāng)輸入信號靜止時，刷新邏輯會定期發(fā)送必要的差分信號。接收器將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，并通過緩沖器輸出。如果接收器未接收到數(shù)據(jù)或刷新信號，超時邏輯會檢測到輸入側(cè)信號或電源丟失，并將輸出驅(qū)動到默認(rèn)電平。

功能框圖

功能框圖清晰地展示了設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括發(fā)射器、接收器、刷新邏輯和超時邏輯等部分，幫助工程師更好地理解設(shè)備的工作原理。

設(shè)備功能模式

ISO721-Q1和ISO722-Q1具有不同的功能模式，通過表格詳細(xì)列出了不同電源電壓和輸入條件下的輸出狀態(tài)，方便工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和故障排查。

九、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

ISO72x-Q1設(shè)備采用單端TTL或CMOS邏輯開關(guān)技術(shù)，電源電壓范圍為3V至5.5V。在數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)中，由于其單端設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不遵循任何特定的接口標(biāo)準(zhǔn)，僅用于隔離單端CMOS或TTL數(shù)字信號線。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。

典型應(yīng)用

以隔離CAN接口為例，ISO721設(shè)備可與德州儀器的微控制器、CAN收發(fā)器、變壓器驅(qū)動器和低壓差電壓調(diào)節(jié)器配合使用，構(gòu)建可靠的隔離CAN接口。

設(shè)計(jì)要求

與光耦不同，ISO72x-Q1設(shè)備僅需要兩個外部旁路電容即可工作，簡化了電路設(shè)計(jì)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

提供了典型的電路連接圖和引腳交叉參考表，幫助工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和替換其他隔離器。

電源供應(yīng)建議

為確保設(shè)備在數(shù)據(jù)速率和電源電壓下可靠運(yùn)行，需要在輸入和輸出電源引腳（VCC1和VCC2）放置0.1μF的旁路電容，并盡量靠近電源引腳。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設(shè)備）為次級側(cè)生成隔離電源。

布局

PCB布局對于設(shè)備的性能至關(guān)重要。建議采用至少四層的PCB設(shè)計(jì)，層疊順序?yàn)楦咚傩盘枌?、接地層、電源層和低頻信號層。在布局時，需要注意高速信號的布線、接地層和電源層的設(shè)置以及低速控制信號的布線等問題。同時，對于數(shù)字電路板，建議使用標(biāo)準(zhǔn)FR-4 UL94V-0印刷電路板，以獲得更好的性能。

十、設(shè)備與文檔支持

設(shè)備支持

提供了相關(guān)的開發(fā)支持資源，如德州儀器的多個參考設(shè)計(jì)和ISO72x IBIS模型，幫助工程師進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

文檔支持

提供了相關(guān)的文檔資源，如數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)指南、隔離術(shù)語表、隔離RS-485參考設(shè)計(jì)應(yīng)用報告和ISO721EVM用戶指南等，方便工程師獲取更多的技術(shù)信息。

文檔更新通知

工程師可以通過導(dǎo)航到設(shè)備產(chǎn)品文件夾，點(diǎn)擊“通知”進(jìn)行注冊，以接收文檔更新的每周摘要。

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(jì)幫助的重要渠道，可直接向?qū)＜易稍儐栴}。

商標(biāo)說明

對文檔中涉及的商標(biāo)進(jìn)行了說明，提醒工程師注意商標(biāo)的使用規(guī)范。

靜電放電注意事項(xiàng)

由于集成電路容易受到靜電放電（ESD）的損壞，德州儀器建議在處理集成電路時采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，以避免設(shè)備損壞。

術(shù)語表

提供了術(shù)語表，幫助工程師理解文檔中涉及的專業(yè)術(shù)語和縮寫。

十一、修訂歷史

詳細(xì)記錄了文檔的修訂歷史，包括不同版本之間的更改內(nèi)容，方便工程師了解產(chǎn)品的發(fā)展和改進(jìn)情況。

十二、機(jī)械、包裝與訂購信息

提供了設(shè)備的機(jī)械、包裝和訂購信息，包括不同封裝選項(xiàng)、包裝數(shù)量、載體類型、RoHS合規(guī)性、引腳鍍層材料、MSL評級和峰值回流溫度等，幫助工程師進(jìn)行產(chǎn)品選型和采購。

總之，ISO721-Q1和ISO722-Q1高速數(shù)字隔離器在性能、安全和應(yīng)用方面都具有出色的表現(xiàn)，為電子工程師提供了可靠的信號隔離解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，綜合考慮設(shè)備的各項(xiàng)特性和參數(shù)，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。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)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。