四通道数字隔离器设计

程 淩，李 全，李 娟

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

四通道数字隔离器设计

程 淩，李 全，李 娟

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

片上变压器是使用MEMS技术制造的电感线圈。传统的隔离通讯设备采用的是分立式元件，体积大、功耗高并且不利于集成在同一个管壳内。片上变压器则可以克服传统隔离设备的缺点，具有高耦合系数、低功耗以及可集成等特性，在应用上具有非常明显的优势。基于片上变压器，设计了一款四通道数字隔离器，可以传输90 Mbps的数字信号，使用SMIC公司0.18 μm BCD工艺作为流片工艺并成功流片。芯片工作范围为3～5 V，工作温度范围为-40～+125℃，传输延迟达到40 ns，数据传输速率为DC-90 Mbps。

片上变压器；四通道隔离器；编解码

1 数字隔离器的主要应用及分类

为了防止电流在两个不同的节点之间流动，通常采用隔离技术来实现这一目的。在以下两种应用场合，隔离器起着至关重要的作用：（1）在有可能出现高电流浪涌而导致电子元器件损坏的情况下；（2）存在不同地电位的接地回路互连[1]。目前，隔离器主要向着小体积、低功耗以及能同时集成数据隔离和功率传输为一体的方向快速发展[2]。

数字隔离器主要分为光电隔离、电磁隔离、电容隔离三大类型[3]。传统隔离器通常使用光耦合隔离器，其基本原理是利用光、电之间的相互转化来传输数据信号，图1为非线性光电耦合器示意图。由于光电耦合器不能传输高速数据，同时功耗较高，已经逐渐不能满足数字电路的传输要求。电容耦合则是通过对电容上下极板之间电场的变化来传输数据信号。图2为数字电容隔离器结构图，该款电容隔离器采用差分方式来传输数据信号，由于电容可以传输高频信号但对低频信号传输能力较弱，因此在版图设计时需要大量增加电容面积才能保证数据信号的顺利传输。电磁耦合隔离器是通过变压器线圈将电能变成磁能，从初级线圈传递到次级线圈，再将磁能重新转化为电能的过程，通过电生磁以及磁生电最终实现信号的传输。图3就是一款基础变压器模型。

在本款四通道数字隔离器的设计中采用电磁耦合技术，使用双层金属制作的电感线圈，具有体积小、功耗低、便于集成等特点，具有广阔的应用空间。

图1 非线性光电耦合器

图2 电容耦合器

图3 电磁耦合器

2 片上微型变压器

电感可以在高频集成电路中作为磁能的存储元器件使用，现在人们使用MEMS技术，在硅片上加工出相互靠近的两层导电线圈，初级线圈和次级线圈通过磁场变化相互感应。由于片上变压器体积小且不存在磁芯，因此在传输数据的过程中不会存在磁饱和以及退磁等现象，可以完美地和集成电路封装在一起。

我们可以制作多种形式的变压器模型，图4显示的是一款方形叠层变压器模型[4]。该款变压器中包含2个线圈，在垂直方向上完全重叠摆放，上层线圈通过中心pad和外围pad键合出去，而下层线圈由于完全被上层线圈所覆盖，因此只能通过线圈本身金属引出。

由于数字隔离器特殊的应用要求，片上变压器在传输高频信号的同时要保证其本身不被低于2.5 kV的高压击穿[5]。常态下，空气在20 kV/cm的电场下就会产生电离现象，为了耐受2.5 kV的高压，假如采用普通的空气隔离法，则两线圈之间间距必须大于125μm，这会大大削弱两电感线圈的耦合系数[6]。为了同时满足击穿电压和耦合系数这两个条件，我们在制作过程中使用聚酰亚胺作为隔离材料。

图4 方形叠层变压器模型

表1显示的就是聚酰亚胺材料的电学特性。可以看出，PI材料介电常数和介电损耗非常低，使制作出的隔离层寄生电容很小，可以提高变压器耦合性能。同时该材料具有较高的击穿电压和耐温特性，综上所述，PI材料在工业上是制作隔离材料的很好选择。

表1 聚酰亚胺电学特性

3 电路编解码设计

3.1 编码（ENCODER）

ENCODER电路功能为对输入信号电压跳变进行边沿编码工作，假如在间隔超过1 μm的时间内未接受到任何边沿跳变，则主动发送刷新脉冲，保证正确的直流电流。ENCODER电路包含多个重要模块：输入滤波、刷新电路、边沿编码，如图5所示。

对ENCODER电路进行分析，信号从F端输入，在Y端输出，A端口和B端口输入的是基准产生的偏置电流，C端口为电路使能端，E端口为输出锁定端，起作用是在掉电或者电路故障时，将Y关闭，保证正确的输出电平。ENCODER电路内部主要包含输入滤波电路、边沿编码、刷新模块等重要组成模块。这里着重介绍边沿编码（Edge Encoding）模块。

边沿编码模块的主要功能是对信号的跳变进行编码，信号从F端进入，进过一系列整波、滤波后，进入到S_L端，PR2和PR1提供的是刷新模块产生的刷新脉冲。通常情况下刷新模块不工作，PR1和PR2均为“1”，TD为延迟模块，用于控制信号延迟时间。S_L信号经过一个反相器得到的波形，同S_L经过TD、TG以及一个与非门后的信号存在一个延迟时间，这两个波形经过一个与非门整合后，可以输出一个脉冲宽度为1 ns的ENC1信号，其代表的含义是F信号的上跳。同理，我们可以获得一个F的下跳脉冲ENC2。S_D信号经过一系列延迟后得到ENC3，将这3个脉冲信号叠加，就得到了最终的编码信号Y，其包含的是DC-50 Mbps的信号。

图5 ENCODER电路

3.2 解码（DECODER）

DECODER模块功能为接收变压器传输的编码信号并进行解码，功能框图如图6所示。主要包含4个模块：单稳态电路DM，双触发器电路，5 μs定时电路、三态输出。

其工作原理为，通过变压器芯片传输过来的信号进入A端口，经过施密特电路整形，拉高输入电压来符合高电平要求。DM模块随后会产生一个固定宽度的信号FF，其电平时间为8 ns，在这个8 ns时间内最多可以接收到3个脉冲信号，多余3个脉冲则表示为干扰信号，会停止往后续电路传输。整个电路的解码功能由模块中的双触发器完成，触发器采用时钟上升沿触发，复位RET在低电平时清除触发器，将输出信号置为“0”。DM模块产生的控制脉冲FF可以作为第一触发器的数据端D和复位端RST，在经过一个反相器后又可以作为第二触发器的时钟输入端CK。后级触发器输出的信号Q即为解码信号。

电路中增加了5 μs的定时电路，其主要作用是当电路发生故障时，在5 μs的设定时间内没有接收到脉冲，模块将主动发出一个控制信号来锁定输出，同时通过I端口进行电路修调。

图6 DECODER模块

4 封装引脚框图以及版图设计

此款四通道数字隔离器采用SOP16封装模式，其16脚引线框图如图7所示。

该款芯片包含4个正向通道，各个通道需要高度匹配，同时为了保证信号之间相互不干扰，每个通道之间应增加响应隔离措施，在版图设计时就有较高要求。

图8显示的是四通道隔离器的版图。4个通道结构完全相同，从PAD进入到通道的信号线也尽量做到长度和方向一致，这样能最大限度地保证4个通道的信号传输时间一致。同时为了避免通道间的噪声干扰，在每个通道之间，我们均增加了宽度为20 μm的PSUB环来屏蔽噪声。

图7 16脚引线框图

图8 四通道隔离器版图

5 芯片测试以及主要参数

我们对流片封装后的芯片进行测试。测试波形如图9和图10所示。

图9 VDD1=VDD2=3 V，典型10 MHz测试波形

图10 VDD1=3 V，VDD2=5 V，典型10 MHz测试波形

图9、10中，下侧波形为信号源给出的输入波形，上侧是经过编解码后输出的波形。可以看出在电源电压3 V和5 V的情况下，数据均可以正常传输且传输延迟均小于60 ns。

6 总结

本文基于片上变压器，设计了一款四通道数字隔离器。整体芯片将接收芯片、发射芯片以及变压器芯片封装在一个管壳中，具有体积小、功耗低等特点，可以应用于通用型多通道隔离，相比于传统分离式隔离器有明显的优势，具有广阔的应用前景。其主要参数性能如表2所示。

表2 四通道数字隔离器主要参数性能

[1]LI Weipeng,HUANG Hai,ZHOU Xubin,et al.Design and experiments of an active isolator for satellite micro-vibration[J].Chinese Journal of Aeronautics,2014,(06):1461-1468.

[2]TAN Ping,XU Kai,WANG Bin,et al.Development and performance evaluation of an innovative low-cost seismic isolator[J].Science China(Technological Sciences),2014,(10):2050-2061.

[3]徐华.数字隔离器工作原理及应用实例[J].电脑知识与技术，2008(22).

[4]吴圣娟.片上变压器的设计和理论研究[D].成都：电子科技大学，2013:20.

[5]田野,桂欣,李一兵.基于ADuM540x隔离通信电路的设计与实现[J].哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2009,(05):574-577.

[6]徐鹏华,胡宜华.四通道双向数字隔离器ADuM2401原理及应用[J].电子世界，2005，(12):37.

程 淩（1989—），男，江苏无锡人，学士学历，助理工程师，现从事电源及数字隔离器的版图设计工作。

Design of Four-Channel Digital Isolators

CHENG Ling,LI Quan,LI Juan
（China Electronic Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The On-chip transformer is made of inductance coil,basing on MEMS technology.The traditional isolator uses the discrete component.As the result,it has some disadvantages,such as large volume and high power consumption.It also can't be integrated in the same shell.The on-chip transformer can get rid of disadvantagesoftraditional isolation devices.Its performance for high frequencysignal couplingis much better,also has low power consumption and can be integrated.So it has obvious advantage in the application and a broad market prospect.Based on the on-chip transformer,we design a four-channel digital isolator,which can transmit 90 Mbps digital signal,using SMIC company0.18 μm BCD process as the flow sheet and success.The chipworks for 3～5 V,workingtemperature range for-40℃to+125℃,achieving40 ns transmission delay,data transferrate reachingDC-90Mbps.

on-chiptransformer;four-channelisolator;encodinganddecoding

TN402

A

1681-1070（2017）11-0026-04

2017-06-22