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本文的目的是告诉您如何简化隔离系统的设计。 除了描述电容式数字隔离器的基本功能和详细介绍如何在信号路径中安装隔离器外，文章还为成功设计电路板提供了一些有价值的参考。 观点。

电容式数字隔离器的基本功能

图 1 显示了由高速信号路径和低速信号路径组成的电容式数字隔离器的简化框图。 高速路径（蓝色部分）传输100kbps到150Mbps之间的信号，而低速路径（橙色部分）传输100kbps以下的信号到DC。

图 1 电容式数字隔离器的简化框图

在以蓝色显示的路径中处理的高速信号被电容隔离栅分为快速瞬变脉冲串。 随后的触发器 (FF) 将这些瞬态脉冲串转换为形状和相位与输入信号一致的脉冲。 内部看门狗 (WD) 检查高速信号边沿的周期性。 在低频输入信号的情况下，连续信号边沿之间的持续时间超过看门狗窗口。 这会强制看门狗将输出开关位置从高速路径（位置 1）更改为低速路径（位置 2）。

低速路径比高速路径多了几个功能元素。 由于低频输入信号需要一个禁止使用大电容的隔离屏障，因此输入信号用于对内部振荡器 (OSC) 的载波频率进行脉宽调制 (PWM)。 这构成了能够穿过该电容屏障的非常高的频率。 由于输入已调制，因此在将实际数据传输到输出之前，必须使用低通滤波器 (LPF) 去除高频载波。

安装在信号链中的什么位置

数字隔离器分为单通道、双通道、三通道和四通道器件，可实现单向和双向工作。 它们的共同特点如下：

- 不符合任何特定的接口标准；

- 采用3V/5V逻辑切换技术

- 专为电隔离数字单端 (SE) 数据线而设计

虽然最后一点似乎是设计限制，但图 2 显示了如何为各种接口完成隔离，包括低压 SPI、高压 RS232、差分 USB 和差分 CAN/RS485。

图 2 数字隔离器必须安装在隔离接口的单端部分

所有接口的一个共同点是数字隔离器必须安装在隔离接口的单端 3V/5V 部分。

由于数字隔离器的上升和下降时间为1~2ns，在信号走线较长的情况下容易产生信号反射，其特性阻抗与隔离器输出的源阻抗不匹配。 因此，我们建议在其对应的数据接收设备和数据源（如：控制器、驱动器、接收器、收发器等）附近安装隔离器。 如果在设计中不可能做到这一点，则必须使用受控阻抗传输线。

PCB 设计指南

就数字电路板而言，采用标准的FR-4环氧玻璃作为PCB材料，因为它不仅满足UL94-V0的要求，而且高频介质损耗更小，吸湿性更低，更大强度/硬度和改进的阻燃性能。

为实现低电磁干扰 (EMI) PCB 设计，这里推荐至少有四层的设计示例（见图 3），从上到下分别为：高速信号层、接地层、电源层和低频层信号层。

图 3 推荐的四层板叠层

在顶层布线高速走线提供了隔离器与其相应驱动器之间的一目了然的连接。 保持高速走线较短并避免使用过孔以保持高速走线具有最低电感。

在高速信号层旁边放置一个平衡板接地平面，以确保接地平面和信号走线之间的强电耦合。 这建立了传输线互连的受控阻抗，还大大降低了 EMI。 最后，平衡板接地层为回流提供了非常好的低电感路径。

将电源层置于接地层下方。 这两个参考平面形成一个大约 100pF/in2 的附加高频旁路电容器。

在底层布线低速控制信号。 这些信号链有足够的余量来承受过孔引起的中断，从而实现更大的灵活性。

受控阻抗传输线是一种迹线，其特性阻抗 Z0 始终由其几何形状控制。 当走线长度大于 15mm（tr=1ns）和 30mm（tr=2ns）时，走线阻抗必须与隔离器输出阻抗 Z0~rO（如图 4 所示）相匹配，以最大限度地减少信号反射。 这称为源阻抗匹配。

图 4 源阻抗匹配：Z0 ~ rO

隔离器的动态输出阻抗r0可以通过隔离器数据手册中列出的近似电压-电流输出特性的线性部分得到。 一般来说，标准输出阻抗在70Ω左右。 因此，对于标准的 2 盎司。 铜线和具有 4.5 电介质、8mm 宽、10mm 长走线几何形状的 FR-4 在接地平面上产生所需的 70Ω 特性阻抗。

接线指南

建议使用一些关键的布局指南来保持信号完整性和低 EMI。

为了将串扰降低到10%以下，需要使信号走线保持高速信号层到地层距离的三倍（d=3h）。 信号走线下的再循环密度遵循 1/[1+(d/h)2] 函数信号隔离器电路图，因此其在 d>3h 点的密度将非常低，以避免相邻走线中的大串扰（见图 5）。

图 5 使用 d = 3h 来最小化串扰

使用 45 度走线弯曲（或倒角弯曲）而不是 90 度弯曲可保持有效的走线阻抗并避免信号反射。

对于在嘈杂环境中运行，通过电阻器（1kΩ 至 10kΩ）将隔离器的空闲使能输入连接到合适的参考平面。 将高电平有效、高电平使能输入连接到电源层信号隔离器电路图，同时将低电平有效输入连接到接地层。

由于通孔电感会增加信号路径电感，因此避免使用快速信号走线进行层更改。

在隔离器和周围电路之间使用较短的走线长度以避免引入噪声。 数字隔离器通常有一个隔离式 DC/DC 转换器，可跨隔离势垒供电。 由于隔离器的单端传输信号对噪声的引入过于敏感，相邻 DC/DC 转换器的开关噪声很容易被较长的信号走线引入。

将大容量电容器（例如 10µF）放置在靠近稳压器等电源或电源进入 PCB 的位置。

在设备上安装一个小容量的0.1μF或0.01μF旁路电容，将电容的供电端直接连接到设备的供电端，然后通过孔连接到Vcc平面。 使用多个过孔将电容器接地连接到接地平面（参见图 6）。

图 6 将旁路电容器直接连接到 Vcc 端子

通过使用多个过孔连接旁路电容器和其他保护器件（如瞬态电压抑制器和齐纳二极管），最大限度地减少接地连接的过孔电感。

总结

尽管关于 PCB 设计的资源很多，但本文主要提供一些与数字隔离器电路板设计相关的建议。 遵循这些建议将有助于在尽可能短的时间内完成符合 EMC 标准的电路板设计。