SiliconLabs-高性能隔离产品解决方案

隔离器的重要性隔离器是一个关键部件保证电子系统和人身的安全提高系统在噪音环境中的性能CommonisolationusageexamplesGND1PWMINGNDAOUTAVDD1VDDAISOdriverMCUSafetyIsolationVoltageSourceGNDBOUTBVDDBVDDO400VdcVoltageSourcee.g.HVPowerSystemse.g.HighSideDriverGroundDisturbanceEliminationMCUADCI/OCPUHIGH-CURRENTI/OGND1IN1GND2VDD1VDD2ISOLATOROUT1IN6OUT6VDD1VDD2HighCurrentSpikesNoise-SensitiveGroundINe.g.TestandMeasurement安全隔离:隔离低压地侧潜在的致命电压电平转移:匹配信号阻抗与共模电压电平噪声消除:隔离高噪声地与噪声敏感电路3SiliconLaboratoriesConfidential隔离器的理想模型ISOLATORINOUTVDD2GND2GND2VDD1GND1GND1ORORΩShortCircuitDVM输入/输出信号的通路表现为低阻抗ΩOpenCircuitDVM输入/输出地之间表现为高阻抗隔离效果:无论是否存在共模差，输入信号都可以直接传输到输出信号侧输入侧的地与输出侧的地之间没有电流(降低噪声)4SiliconLaboratoriesConfidential隔离器应用的挑战需要隔离器的应用共同的挑战工厂自动化电机控制数据采集数字总线宽时序严格工作环境噪音大最小的EMIPoE、PSE系统IT刀片式服务器等离子显示器(PDP)双向隔离低价，BOM数量少功率损耗HEV控制系统高压电池组低电辐射扩展温度范围强大的可靠性与安全性电机控制医疗设备工作在噪音环境高的电磁场最小EMI太阳能电源逆变器AC-DC和DC-DC电源强大的可靠性扩展温度范围隔离器在许多应用系统中是必要的部分，系统工程师需要高性能、先进的电子元件使隔离变的简单，以便于解决遇到的挑战5SiliconLaboratoriesConfidential光耦设计人员面临的挑战可靠性重要参数会随温度，电压，时间而偏移LED的光效率会随使用时间和温度而降低差的时序特性传输延迟大，由于LED开关速度慢导致一致性差共模噪声的抑制在驱动，通讯，电源应用中很关键能效低LED驱动需要大电流,~10mA为缓解这些问题就需要增加BOM，降低使用寿命以及复杂的系统设计INGNDGNDOUTInsulatingfilmordielectricLightpathPhotoDetectorLED6SiliconLaboratoriesConfidentialSi8xxx数字隔离器的性能隔离器的失效主要是由于电介质的缺陷引起的隔离产品的制造商有多种电介质可供选择•聚合物–光耦采用的隔离材料•二氧化硅(SiO2)–SiliconLabs隔离产品采用的隔离材料•在达到同级隔离性能的同时隔离层可以做的更薄•全球销售的数以亿计的晶体管采用SiO2的电介质器件的隔离性能是由电介质决定的Si8xxx产品使用SIO2作为电介质•SiO2是半导体的标准电介质，可以保证产品的使用寿命超过30年•SiO2有很低的失效率•SIO2的介电强度是500V/µm光耦采用的是聚合物电介质•失效率很高•介电强度是50-200V/umINGNDGNDOUTInsulatingfilmordielectricLightpathPhotoDetectorLEDOpto-couplerwithpolymerinsulatingfilmPassivationSiO2SiO2Si8xxxisolationstructurewithSiO2Polymertape7SiliconLaboratoriesConfidentialSiO2电介质的性能现代低压CMOS工艺让SIO2承受很高的电场应力CMOS手机中的1.8V晶体管:•晶体管电压=1.8V•电介质厚度=4nm•电场=4.5MV/cmSi8xxxSiO2电场应力5kV隔离等级的器件，工作电压1.6kV•电介质厚度=16um•电场=1MV/cm•Si8xxxSiO2承受的电场应力相当于普通手机中SIO2承受的电场应力的1/5SiO2是被广范使用和研究的电介质材料SiO2在订单的数量级要远大于聚合物的数量级相关基金会已投入数十亿美元用于开发和测试使用SIO2在各种应用中使用的数十亿CMOS产品已经充分验证了SIO2的高可靠性。8SiliconLaboratoriesConfidentialSI8XXX数字隔离器产品系列•UL,CSA,VDE隔离认证•隔离电压高达5kVrms•增强(IEC60950-1)和医疗(IEC60601-1）•低EMI,高噪声容限•时序精度高•极高的可靠性•最适合：隔离数据Si86xxMedical,Industrial,HEV,Solar•在Si86xx隔离器性能的基础上增加了以下性能:•增强VDE/IEC60747-5-2，带10kV浪涌•可直接替换常见的光耦•最适合：高性能光耦升级(寿命长，高可靠和高数据率)Si87xxOpto-replacementinIndustrial,GeneralPurpose•小功率LED仿真输入或电压输入•0.5A,2.5A和4A驱动可供选择•驱动电压高达30V•直接升级替换常见的光耦•经过认证的安全隔离UL,CSA,VDE(5kV)Si82xx1or2chsISODriverSolarinverter,SMPS,HEVChargersSilabs提供了3个独特的隔离器系列:Si86xx(传统Si84xx升级版本),Si87xx,Si82xx,可以满足差异化市场对于隔离性能的要求数字隔离器件隔离电压等级5kV150Mbps隔离速率最多6个通道------业界集成度最高!双向隔离，支持I2C和SMBus™工作温度范围-40～+125°C极佳的可靠性增强的隔离等级，工作电压高达1200V在工作电压范围内使用寿命可达到60年以上业界最佳的抗噪声能力通过了UL,CSA和VDE认证最低EMI和最高的电磁抗扰性EMI比同类数字隔离器低20dB内部差分信号和窄带接收保证了极高的抗电磁干扰性能11SiliconLaboratoriesConfidentialSi86xx解决了复杂的隔离挑战挑战1:最大的系统可靠性与安全性解决方案:最佳的保护性能3.75kV和5kV隔离电压等级可以满足高压系统需求业界最长的产品使用寿命保证了隔离IC寿命比系统寿命长挑战2：嘈杂的电噪声环境解决方案:卓越的EMI和CMTI性能50kV/µsCMTI保证了地噪声不会破坏数据同类最佳的电磁抗扰性—不受外部磁场影响EMI低于光耦20dB—不需要昂贵的屏蔽施密特触发输入，减小了数字噪声挑战3：更小和日益复杂的系统解决方案:完美的器件组合配置业界唯一的6通道隔离器，即节省了PCB空间又满足了宽总线的需求双向隔离器支持I2C,PMBus™,SMBus™通讯订购时可选择默认输出高/低，以匹配系统的需求Pb-Free/RoHSPackagingOptionsWideBodySOIC-16NarrowBodySOIC-16NarrowBodySOIC-8QSOP-1612SiliconLaboratoriesConfidentialSi866x简化了宽数字总线隔离最宽，最快的数字隔离器1到6-通道，隔离速率高达150Mbps与光耦相比PCB面积小10倍业界最低功耗1.6mA/ch@1Mbps比光耦低5倍最好的时序特性延迟低3倍(13ns)抖动低2倍(350ps)多种隔离电压等级及长期的可靠性隔离电压5kVrms和3.75kVrms在150°C可以达到60年以上的平均无故障时间通过了UL,CSA和VDE认证是测试、测量设备，工业自动化，数据采集应用的理想选择47mm17mmOpto-couplerOpto-couplerOpto-couplerOpto-couplerOpto-couplerOpto-couplerSiliconLabsis90%smallerSi866x6-channelsolution800mm270mm2C2C110mm7mmSi8660OptocouplerSolution13SiliconLaboratoriesConfidentialSi86xx隔离器系列业界最广泛使用的5kV隔离器系列双向I2C,PMBus,SMBus单向Si8640/45Si8641Si8630/5Si8620Si8610Si8651Si8650/55Si8631Si8621Si8652Si8642Si8660Si8661Si8662Si86636-Channel5-Channel4-Channel3-Channel2-Channel1-ChannelSi8622**DefaultoutputhighSi8605Si8600BidiSDA,SCL+1FWD+1REVBidirectionalSDA,SCLSi8602BidiSDA+FWDSCLSi8606BidiSDA,SCL+2FWDSi86xx支持150Mbps隔离速率，3.75kV和5kV隔离等级Si860x(双向)支持1.7Mbps隔离速率，3.75kV和5kV隔离等级封装包括：窄体SOIC-8和-16,宽体SOIC-16和QSOP-1614SiliconLaboratoriesConfidentialSI86XX开发工具Si86XXISO-KIT(评估套件)多个SI86XX产品和封装的简化测试板包括:•Si8600AD:5kV双向I2C(SDA,SCL)•Si8605AD:5kV双向I2C+2单向•Si8663BD:5kV单向(6-通道)•Si8663EC:3.75kV单向(6-通道)•Si8621BC:3.75kV单向(2-通道)•Si8655BA:1kV单向(5-通道,QSOP)Si86ISOLIN-KIT(线性隔离参考设计)包括3个成本/性能优化的模拟隔离电路•输入信号带宽支持100kHz(12-bit分辨率)到500kHz(9-bit分辨率).•板上使用的隔离器型号：Si8630BD应用•隔离传感器的运放•消除接地环路•电平转换电机控制Part#Si86ISOLIN-KITPart#Si86XXISO-KIT15SiliconLaboratoriesConfidentialSI86XX开发工具—续ISOVOLT35-EVB&ISOVOLT55-EVB(隔离式3V,5V电源参考设计套件)演示了完整隔离式3.3V或5V的DC-DC转换器连续输出功率高达3W，效率可达78%板上使用的隔离器件型号：4通道数字隔离器Si8641应用•RS-485,CAN和RS-232系统•隔离电源传感器Part#ISOVOLT35-EVB,ISOVOLT55-EVB光耦替代产品系列与光耦对比性能和可靠性优势耐温度，老化和正向电流的影响失效率低10倍，使用寿命更长较高的瞬态抑制50kV/ms(典型)更低的功耗与前向二极管的输入电流增强的隔离