磁耦隔离器分解

磁耦隔离器

一磁耦简介

磁耦：基于磁隔离技术的隔离器件，也称为磁隔离器。

磁耦合隔离是指利用电磁感应原理，把需要传输的变化信号加在变压器的初级线圈，该信号在初级线圈中产生变化的磁场，变化的磁场使次级线圈的磁通量发生变化，从而在次级感应出与初级线圈激励信号相关的变化信号输出，在整个信号的传输过程中，初级与次级之间没有发生电连接，从而达到隔离初次级的目的。

磁耦隔离器根据对信号编解码的不同，主要有脉冲调制变压器隔离器(ADI公司)和巨磁电阻隔离器（NVE公司和安华高公司）。

脉冲调制变压器隔离器

ADI公司的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件。

磁隔离变压器采用平面结构，在晶圆钝化层上使用CMOS金属和金构成。金层下有一个高击穿的聚酰亚胺层，将顶部的变压器线圈与底部的线圈隔离开来。连接顶部线圈和底部线圈的CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以及其它半导体功能的低成本的方法。磁隔离技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题；功耗降低了90%；并且无需外部驱动器或分立器件。

图1脉冲调制变压器隔离器剖面图

磁隔离的每个线圈的直径大约是500um，匝数15。顶部线圈粗4um，采用金材料制成；底部线圈粗1～2um，采用铝或金材料制成。

磁耦隔离器是空心变压器，没有磁芯。为了实现紧密互耦，将两个15匝、直径500um 的线圈直接堆叠，空隙仅为20um。这使得耦合系数大于0.8。

工作原理

iCoupler数字隔离器使用传送到给定变压器初级端的脉冲对输入逻辑跳变进行编码。这些脉冲从变压器初级线圈耦合到次级线圈，并且由次级端电路检测。然后，该电路在输出端重新恢复成输入数字信号。此外，输入端还包含一个刷新电路，保证即使在没有输入跳变的情况下输出状态也与输入状态保持匹配。

图2 脉冲调制变压器隔离器原理图

数字信号的传送通过发送大约1ns宽的短脉冲到变压器另一端来实现，两个连续的短脉冲表示一个上升沿，单个短脉冲表示下降沿。信号传送框图如下图所示。次级端有一个不可重复触发的单稳态电路产生检测脉冲。如果检测到两个脉冲，输出就被置为高电平。相反的，如果检测到单个脉冲，输出就置为低电平。采用一个输入滤波器有助于提高噪声抗扰能力。

如果1ms左右没有检测到信号边缘，发送刷新脉冲信号给变压器来保证直流的正确性(直流校正功能)。如果输入为高电平，就产生两个连续的短脉冲作为刷新脉冲，如果输入为低电平，就产生单个短脉冲刷新。这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入很重要。

为了补充驱动器端的刷新电路，在接收器端采用了一个监视定时器来保证在没有检测到刷新脉冲时，输出处于一种故障安全状态。

图3 脉冲调制变压器隔离器工作流程图

对于磁耦来说，每个通道都包含一个输入缓冲器，一个编码器（内置刷新发生器），一个隔离变压器，一个解码器（内置看门定时狗）和一个输出缓冲器。下图即为ADUM1100的内部结构示意图

图4 ADUM1100的内部结构示意图

技术特点

1技术核心是发射与接收信号的平面变压器：

这些变压器完全由标准半导体制造工艺进行集成，磁耦由被聚酰亚胺层分开的两个线圈组成，聚酰亚胺层起到隔离阻障的作用。由于磁耦隔离器的目的是将输入和输出信号隔离开来，所以变压器初级端电路与变压器次级端电路必须在隔离的芯片上。变压器本身可以放置在任意芯片上，也可以放在第三个芯片上。

图5 封装图

由于采用金材料制作底部线圈与顶部线圈，并通过增加线圈绕线的直径降低阻抗，因此可以优化变压器，使得能跨越隔离阻碍传输能量。这样做不会影响信号隔离度。

2 能够将发送和接收通道集成在同一个封装中：

由于磁隔离变压器本身是双向的，所以只要将合适的电路放置在变压器的任意一边，信号就可以按照任意方向通过。按照这种工作方式，可采用多种收发通道配置来提供多通道隔离器。

2可用作为隔离DC/DC转换器的变压器：

允许将数据隔离和电源隔离两种功能都集成在一个封装内。

4 抗外部磁场干扰能力极强：

电磁耦合的主要缺点是对外部磁场(噪声)的磁化和受外部磁场干扰，磁耦受外部磁场的影响较小，因为磁耦的尺寸极小，其直径大约只有0.3mm。将一个频率为1MHZ的电流置于距离磁耦5mm远处，要想破坏磁耦的性能，其电流必须达到500A。这是一个频率较高强度较大的磁场。尽管采用磁耦的系统中包含了发电机、电动机和其它涉及到强磁场的设备，但是目前还没有任何一个应用会达到甚至接近这么高的磁场。

5 绝缘材料使用聚酰亚胺

磁隔离器件使用的聚酰亚胺涂层厚度为20um，介电击穿强度超过400V/um，这使得iCoupler隔离器能够在超过8kV的瞬间交流电压条件下使用。

由于淀积的聚酰亚胺薄膜没有空隙且不会受到电晕放电的影响，因此iCoupler隔离期还表现出良好的抗老化行为，可以在连续的交流电压与直流电压下工作。

另外，聚酰亚胺有卓越的击穿强度、热稳定性（失重温度超过500°C，玻璃化转变温

度大约是260°C）与机械稳定性（拉伸强度超过120MPa，弹性延伸率超过30%，且不易变形）、耐化学性（推动了聚酰亚胺层顶部集成电路处理，例如利用Au涂层生成iCoupler 变压器线圈）、出众的静电放电（ESD）性能与相对介电常数（能够应对超过15kV的EOS 与ESD事件）等。

聚酰亚胺层的介电常数是3.3，与小直径Au变压器线圈配合良好，使隔离层之间的电容最小。大多数隔离器输入与输出之间的电容小于2.5 pF。

优点

1 磁耦隔离器具有非常高的带宽：

顶部与底部线圈的自激频率分别是1 GHz与400 MHz，线圈之间的电容小于0.3 pF。高带宽与小电容使磁隔离技术能够提供极高速的数字隔离。

2磁耦隔离线圈具有低电感、高阻抗：

每个线圈的电感大约是110 nH，顶部金线圈阻抗是25Ω，底部铝线圈阻抗是50Ω。这样的L/R比值使得低频信号无法直接通过。

3 能传输直流和高频信号：

磁隔离技术采用创新的编码电路通过变压器传输仅1～2 ns宽的脉冲，而不管输入信号的频率。解码电路由这些1～2 ns宽的脉冲重新恢复出输出信号。这种编码/解码方法允许iCoupler磁隔离产品传输直流和高频信号。

4 磁隔离可以在低成本条件下实现多通道及其他功能集成。

iCoupler与光耦的比较

iCoupler磁耦隔离系列产品的功耗仅为传统光耦的1/10---1/60左右，速度最高可达150M。可集成多个通道，且通道方向分布灵活。iCoupler数字隔离器系列产品的最高隔离电压是5KV，最高绝缘电压是600V，最低瞬态共模抑制能力是25KV/µs，兼容TTL/CMOS，供电电压2.7V~5.5V，最大驱动电流为0.1A。以下即为iCoupler与光耦的比较：

1 性能：速度更高、瞬态共模抑制能力更强（25kv/μs）

时序精度，瞬态共模抑制力，通道间匹配程度均优于传统光电隔离器；瞬态抗扰度可高达25kV/us。其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的两倍，并且数据传输速率和时序精度是其10倍。

2 总成本：集成度更高

iCoupler磁耦产品用薄片加工技术制造的，因此，多隔离通道能够有效地与其他半导体功能结合起来。集成度更高，最多一个芯片上集成了4个通道，能够减少40％～60％的尺寸和成本。采用了低成本、小体积的SOIC封装。每通道成本为传统高速光电隔离器的40％。

3 功耗：最少只有0.8mA

因为iCoupler磁耦产品不包含效率低的发光二极管和光敏三极管，它的功率只有光耦的2％。也因此减少了散热，改善了性能，并且常常因此节省了成本。