[發(fā)明專利]一種數(shù)字信號隔離器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610878162.4
• 申請日: 2016-10-08
• 公開（公告）號: CN107919861B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發(fā)明（設計）人: 不公告發(fā)明人
• 申請（專利權(quán)）人: 北京中科格勵微科技有限公司
• 主分類號: H03H7/52
• 分類號: H03H7/52
• 代理公司: 北京德琦知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11018
• 代理人: 陳攀;王琦

本發(fā)明提供了一種數(shù)字信號隔離器，包括：發(fā)送端和接收端；發(fā)送端包括：第一濾波電路、刷新電路、延遲電路、刷新脈沖結(jié)合電路、差分信號轉(zhuǎn)換電路、第一隔離柵電容和第二隔離柵電容；接收端包括：第三隔離柵電容、第四隔離柵電容、遲滯比較器、看門狗電路、第二濾波電路以及或門。本發(fā)明中的數(shù)字信號隔離器即使是在傳輸?shù)退傩盘枙r，電平長時間維持不變，也不會受共模電平的干擾，從而有效地避免了誤觸發(fā)的問題。

技術領域

本發(fā)明涉及數(shù)字信號傳輸技術領域，尤其涉及一種基于雙隔離柵電容的數(shù)字信號隔離器。

背景技術

隔離是當今的熱門話題，研究隔離以及隔離型器件有著重要的意義。目前的很多系統(tǒng)中都有多組地線，地線回路會有很大的電流通過，因此會帶來較大的噪聲，而且會影響系統(tǒng)性能并且可能燒毀系統(tǒng)元器件。為了防止上述問題的發(fā)生，現(xiàn)有技術中一般都是采用隔離的方法來解決。其次，人工操作控制界面有時希望與系統(tǒng)執(zhí)行端隔離開來，一方面系統(tǒng)執(zhí)行端可能存在高壓危險環(huán)境，而另一方面，也是為了減小人為因素引起的電路不穩(wěn)定性。在這種情況下，隔離器也是必不可少的。而數(shù)字信號隔離器主要用于數(shù)字信號的傳輸，數(shù)字隔離技術常用于工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境的現(xiàn)場總線、軍用電子系統(tǒng)、航空航天電子設備以及醫(yī)療設備中，尤其是一些應用環(huán)境比較惡劣的場合。

當今主流的隔離方式一般有三種：光耦合隔離、隔離型片上變壓器磁耦合隔離和電容耦合隔離。其中，光耦合隔離器的成本低，但反應慢，功耗大，易老化。隔離型片上變壓器磁耦合隔離器的功耗為光耦合隔離方式的1/10～1/15，反應速度快，可靠性高，但是制造微型片上變壓器必須采用特殊工藝，工藝難度和制造成本都非常高。電容耦合隔離器的反應速度快，功耗低，且電容隔離器的隔離材料一般選用二氧化硅，在硅片上生長二氧化硅比較容易，成本低，并且二氧化硅也有著很好的絕緣性質(zhì)。

目前現(xiàn)有技術中所使用的電容式的隔離元件比較多，例如，德州儀器(TI)公司的ISO72x系列芯片就是以電容為隔離核心的芯片系列，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示，采用將輸入信號同時經(jīng)過高速通道和低速通道進行分別處理得方式來進行數(shù)據(jù)傳輸，其關鍵節(jié)點的波形如圖1b所示，高速信號由高速通道來處理，信號首先經(jīng)過差分信號轉(zhuǎn)換電路103將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號M和N，然后經(jīng)過隔離電容104產(chǎn)生兩個相位相反的微弱脈沖信號P和Q，經(jīng)過遲滯比較器105恢復出數(shù)據(jù)信號R。檢測電路106包括一個看門狗定時器，該定時器用于測量信號R轉(zhuǎn)換之間的持續(xù)時間。如果兩個連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的的持續(xù)時間超出定時窗口(如低頻信號或直流信號的情況下)，則檢測電路106輸出信號S為低電平指示輸出多路復用器107從高速通道切換到低速通道。由于低頻信號的傳輸所需電容值非常大，實現(xiàn)非常困難。因此低速信號的輸入要有脈寬調(diào)制器109，該脈寬調(diào)制器109利用一個內(nèi)部振蕩器108的高頻載波對低頻輸入信號進行調(diào)制得到信號L，其中調(diào)制的幀長為10個時鐘周期，其中包括起始位、數(shù)據(jù)位、結(jié)束位。調(diào)制后的信號L與高速信號處理方式相同，將分別通過差分信號轉(zhuǎn)換電路110、隔離電容111和遲滯比較器112恢復出數(shù)據(jù)信號R。然而，在向輸出多路復用器107提交該信號以前，還需要通過一個低通濾波器113濾出高頻載波，以恢復出原始的低頻輸入信號T。

一方面，上述電容式隔離元件還存在一些缺陷，例如，由于工藝所限，絕緣介質(zhì)的厚度限制了耐壓能力的提高，因此如果要達到高的耐壓需求，就必須采用特殊工藝，所以工藝難度和制造成本同樣也都非常高；另一方面，由于采用了高速數(shù)據(jù)和低速數(shù)據(jù)分別處理的方式，因此電路實現(xiàn)復雜，功耗大，增加了設計成本，存在一定的局限性。

另外，硅谷實驗室還提出了一種基于雙隔離柵電容的數(shù)字信號隔離器，如圖2a所示，其關鍵節(jié)點的波形如圖2b所示，輸入數(shù)據(jù)信號input，其波形如圖2b所示；經(jīng)過調(diào)制電路203，調(diào)制成高頻的載波信號X1和Y1，其波形如圖2b所示，而Y1的波形與X1波形相位相差180度，這里不再贅述；而載波信號經(jīng)過隔離柵電容器204耦合到接收的輸入端，再經(jīng)過接收端的隔離柵電容器205耦合得到信號X2和Y2，其波形如圖2b所示，而Y1的波形與X1波形相位相差180度，這里不再贅述；而耦合過來的載波信號X2和Y2再經(jīng)過解調(diào)電路206，解調(diào)得到輸出波形output，如圖2b所示。