工廠環境不僅吵雜，經常還有危險性。然而為了確保控制系統及其作業員的安全，因此仍須取得溫度、壓力、流速和氣體濃度等重要類比資訊。如(圖一)所示，多種調變技術可用來將類比訊號編碼，然後再穿越隔離層傳送出去。編碼訊號通過隔離層後，就由濾波器或解調器根據它來重建類比訊號。這類系統可直接驅動安全關機電路，並在某個參數超出預設臨界值時自動關閉系統。反應時間對於這些系統很重要，它通常是由隔離元件的延遲時間所決定。

《圖一　隔離式類比訊號擷取》

如(圖二)所示，音訊、視訊和馬達控制等許多其它系統也會使用隔離元件，只不過它們通常是用隔離元件將接地迴路減至最短以增強系統資料傳輸的完整性。這些系統多半使用8或16位元高解析度（高傳真音訊系統使用24位元），和100ksps到數個Msps產出的類比數位轉換器和數位類比轉換器。設計人員則會根據目標系統的品質要求和預算限制來選擇這些類比數位轉換器和數位類比轉換器。

舉例來說，典型音訊系統的DSP必須從光碟讀取數位內容，然後處理這些資訊以便加入適當音效（2、4或8聲道音訊），最後再將處理完成的位元串流送到音訊數位類比轉換器（如圖一的濾波器/解調器）。數位類比轉換器輸出的類比訊號接著會送到揚聲器，重新產生使用者想聽的聲音。如前所述，許多音訊系統（尤其是24位元高傳真系統）喜歡將DSP電路的接地面與電源（揚聲器）接地面隔離。這項技術是用來將接地迴路的拾取訊號減至最少，進而降低背景雜訊和嗡嗡聲。

《圖二　類比數位轉換器與處理器之間的隔離控制範例》

音訊與視訊系統也需要高速和延遲時間最小的隔離資料傳輸以確保原始音訊或視訊內容能夠忠實再生。音訊系統通常使用48ksps類比數位轉換器，視訊系統則需要資料速率更高的轉換器，它們多半是速率1Msps到10Msps的資料轉換器。目前需要140Mbps隔離元件才能將序列編碼的14位元、10Msps資料串流傳送通過隔離層，這只有現代數位隔離元件才能做到。

光耦合器與數位隔離元件的比較

光耦合器和數位隔離元件都能用於隔離和提供一條跨越隔離層的通訊鏈路。這兩種技術都各自有其優點。

光耦合器

光耦合器是能夠跨越隔離層傳輸訊號的一種裝置，主要由光發射器和光偵測器組成，參考(圖三)。這兩種元件通常會整合到同一個封裝，但它們之間除了光束之外不會有任何電氣或實體連接。光發射器大都是發光二極體，光偵測器的種類比較多，但多半由光電二極體或光電晶體擔任。

《圖三　典型的光耦合器連結電路》

光耦合器多年來都是本質安全型系統（intrinsically safe system）的主要隔離元件。類比光耦合器可將類比訊號傳送通過隔離層，這些光耦合器只要傳輸速率在100kbps以下就具有成本相對較低的優勢。不幸的是，光耦合器會佔用很大的空間（每個封裝通常只能提供一個通道，還需要多顆離散元件支援），資料產出也相當有限（最多僅數十個Mbps）。更糟的是，光耦合器需要多顆離散零件與它搭配，其效能還會隨著環境溫度的增加而下降。

隨著系統溫度升高，光耦合器的驅動電流需求在許多情形下會增加一倍，這是因為電流傳送比（CTR；代表輸入訊號傳送到輸出端的比值）會隨著溫度從25℃升高至100℃而減少六成。這會增加光耦合器驅動電流和系統散熱需求。這種溫度變化在馬達控制應用中極為常見。光耦合器雖然受到許多限制，但它們通常都能提供3kV的電壓隔離能力，耗電量則只有數百毫瓦。

數位耦合元件

數位隔離元件的操作方式與光耦合器很類似，只不過調變對象是射頻載波而不是光。這種簡單架構不需任何特殊考量或啟動時的初始設定就能提供可靠的隔離資料路徑。(圖四)所示即為單通道隔離元件的簡單方塊圖，其中每個通道都是由射頻傳送器、接收器以及做為隔離元件的變壓器所組成。傳送器會透過開啟/關閉的鍵控方式對射頻振盪器提供給輸入端A的載波訊號進行調變，再將所得到的波形送到變壓器初級端。接收器則包含一個解調器，它會根據射頻訊號的能量內容對輸入狀態進行解碼，然後透過輸出驅動器將結果送到輸出端B。

《圖四　射頻偶合器概要圖》

數位隔離元件提供單向、高靈敏度、穩定和可重複的切換點，它會使用標準CMOS晶片級技術製造內部變壓器以便利用氧化矽提供電氣隔離。射頻耦合器高達150Mbps的峰值資料速率比傳統光耦合器超過10倍以上。另外，射頻耦合器採用的CMOS技術還能繼續升級以支援未來更高資料產出。

射頻耦合器的暫態耐受性超過30kV/μs，光耦合器只有10kV/μs。它們還提供2500VRMS的電氣隔離能力。射頻耦合器的製程參數比較不容易受到製程效應影響，故對溫度變動的抵抗能力也優於光耦合器，許多射頻耦合器的操作溫度最高都能達到125℃。相較於光耦合器，射頻耦合器的最大優點在於體積更精巧。它們通常使用每個通道僅需很小晶粒面積的方式製造，許多產品甚至還採用SOIC封裝技術，這使得每個封裝都能提供多個通道。射頻耦合器的缺點是操作範圍相當有限，這使它們在高電壓產品的應用受到極大限制。射頻耦合器通常只能使用5V電壓操作。(圖五)顯示數位隔離元件對於電路板面積的影響。

《圖五　光耦合器與數位隔離元件的佈局比較》

安全考量

這類應用（尤其是需要本質安全的應用）多數都需要2500VRMS的隔離能力才能保護使用者不受電擊。舉例來說，220～240V應用就需要兩倍保護能力以確保作業員安全。為了提供兩倍的隔離保護，終端系統在安全超低電壓（SELV；電壓＜30VRMS）和危險電壓（電壓＞30VRMS）之間的8毫米隔離邊界範圍內不能有任何銅線路通過。這個邊界區域應採用焊阻等均勻覆層，跨越這個邊界的任何裝置至少必須提供2500VRMS的隔離能力。除此之外，終端設備認證經常會包含兩種產品安全標準，分別是測試與量測設備的IEC61010-1以及資訊科技設備的IEC60950-1標準。

為減少終端產品通過IEC61010-1和60950-1認證所需的時間與成本，隔離元件通常會先接受CSA國際驗證部（CSA International）Underwriter Laboratories的Component Programs以及Certification Institute的VDE Testing認證。這類零件認證程序多半極為嚴格，它們通常包含JEDEC型樣認證，以及由獨立測試機構執行60秒額定隔離電壓的耐壓測試（hi-pot testing）。完成初步認證後，認證機構還會到廠商的生產廠房進行現場核查，他們會讓隔離元件在額定隔離電壓下接受1秒的生產耐壓測試以確保符合標準要求。常見的零件認證標準包括：UL1577、CSA#5A和VDE60747-5-2。

結語

數位控制系統需要速度更快的隔離技術。然而正如本文所述，目前要在各種音訊、視訊和工業系統中實作高速隔離層會在頻寬方面遇到許多瓶頸。設計人員在發展本質安全型系統（intrinsically safe system）時可利用兩種架構解決隔離元件造成的瓶頸問題。在所有耦合器中，唯有新出現的矽晶隔離元件技術才能解決隔離資料產出的問題。總而言之，數位隔離元件技術提供最低成本、最小延遲時間、最高位元速率和最大整合度的隔離路徑。這項新出現的可擴充技術克服了使用隔離類比資料傳輸時所須面對的數位障礙。

（作者任職於Silicon Labs.）

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