中心議題：

• 電容式數字隔離器的基本功能
• 電容式數字隔離器在信號鏈中的安裝位置
• 電容式數字隔離器的設計

解決方案

• 電容式數字隔離器的PCB設計及布線設計指南

目mu前qian
，有you關guan電dian子zi設she備bei使shi用yong和he設she計ji的de安an全quan規gui定ding層ceng出chu不bu窮qiong，使shi電dian流liu隔ge離li器qi幾ji乎hu成cheng為wei所suo有you數shu據ju采cai集ji和he傳chuan輸shu係xi統tong中zhong的de必bi需xu。避bi免mian控kong製zhi係xi統tong低di壓ya電dian路lu在zai電dian場chang中zhong遭zao受shou潛qian在zai的de傳chuan感gan器qi和he傳chuan動dong器qi組zu件jian高gao壓ya損sun害hai的de一yi種zhong方fang法fa
，就jiu是shi使shi用yong數shu字zi隔ge離li器qi。

benwendemudezaiyugaosudajiaruhejianhuagelixitongsheji，wenzhangchumiaoshudianrongshishuzigeliqidejibengongneng，xiangxijieshaoruhezaixinhaotongluzhonganzhuanggeliqiwai，haijiuruchenggongshejidianlubantigongleyixieyoujiazhidecankaoyijian。

電容式數字隔離器的基本功能

圖1顯示了一個電容式數字隔離器的簡化結構圖，該隔離器由一個高速信號路徑和一個低速信號路徑組成。高速路徑(藍色部分)傳輸100kbps至150Mbps的信號，而低速路徑(橙色部分)則傳輸100kbps以下信號至dc。

圖 1 電容式數字隔離器的簡化結構圖

藍色部分所示路徑中處理的高速信號被電容式隔離勢壘分為多個快速瞬變脈衝群。隨後的觸發器(FF)將這些瞬態脈衝群轉換成波形和相位均與輸入信號一致的脈衝。內部看門狗(WD)檢jian查zha高gao速su信xin號hao邊bian緣yuan的de周zhou期qi性xing。在zai低di頻pin輸shu入ru信xin號hao情qing況kuang下xia，連lian續xu信xin號hao邊bian緣yuan間jian的de持chi續xu時shi間jian超chao出chu了le看kan門men狗gou窗chuang口kou。這zhe樣yang便bian迫po使shi看kan門men狗gou將jiang輸shu出chu開kai關guan位wei置zhi從cong高gao速su路lu徑jing(位置1)改變為低速路徑(位置2)。

低速路徑比高速路徑多出幾個功能元件。因為低頻輸入信號要求隔離勢壘禁止采用大電容，所以輸入信號被用於對內部振蕩器(OSC)的載波頻率進行脈寬調製(PWM)。這就構成了一個非常高的頻率
，能夠通過該電容勢壘。由於輸入得到了調製
，因此必須在實際數據傳輸至輸出端以前使用低通濾波器(LPF)去除其中的高頻載波。

在信號鏈中的安裝位置

數字隔離器分為單通道、雙通道、三通道及四通道器件
，可以實現單向和雙向運行
，它們的共有特性如下：

• 不符合任何特定接口標準；
• 使用3V/5V邏輯開關技術
• 專為電隔離數字、單端(SE)數據線而設計

雖然最後一點似乎是設計上的限製，然而圖2卻顯示了如何對多種接口進行隔離，其中包括低壓 SPI、高壓RS232、差分USB和差分CAN/RS485。

圖 2 數字隔離器必須安裝在隔離接口的單端部分中

所有接口都有一個相同點，那就是數字隔離器必須安裝在隔離接口的單端3V/5V部分。
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由於數字隔離器都具有1到2ns的(de)升(sheng)降(jiang)時(shi)間(jian)
，因(yin)此(ci)它(ta)們(men)在(zai)長(chang)信(xin)號(hao)走(zou)線(xian)情(qing)況(kuang)下(xia)往(wang)往(wang)易(yi)出(chu)現(xian)信(xin)號(hao)反(fan)射(she)，其(qi)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)與(yu)隔(ge)離(li)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)源(yuan)阻(zu)抗(kang)不(bu)匹(pi)配(pei)。因(yin)此(ci)，我(wo)們(men)建(jian)議(yi)在(zai)其(qi)相(xiang)應(ying)數(shu)據(ju)接(jie)收(shou)裝(zhuang)置(zhi)和(he)數(shu)據(ju)源(yuan)(例如：控製器、驅動器、接收器和收發器等)附近安裝一個隔離器。在設計中如果無法這樣做，那麼就必須使用受控的阻抗傳輸線。

PCB 設計指南

就數字電路板而言
，要使用標準FR-4環氧玻璃作為PCB材料，這是由於相比那些廉價材料，其不但符合UL94-V0要求，而且還擁有更少的高頻介電損耗
、更低的吸濕性、更大的強/硬度以及更高的阻燃特性。

要實現低電磁幹擾(EMI)的PCB設計，這裏推薦一個最少四層的設計實例(請參見圖3)，其從上到下分別為：高速信號層
、接地層
、電源層以及低頻信號層。

圖 3 推薦的四層板疊層

在(zai)頂(ding)層(ceng)布(bu)置(zhi)高(gao)速(su)走(zou)線(xian)為(wei)隔(ge)離(li)器(qi)及(ji)其(qi)相(xiang)應(ying)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)目(mu)了(le)然(ran)的(de)連(lian)接(jie)。高(gao)速(su)走(zou)線(xian)要(yao)短(duan)
，並(bing)避(bi)免(mian)使(shi)用(yong)過(guo)孔(kong)，以(yi)此(ci)保(bao)證(zheng)高(gao)速(su)走(zou)線(xian)電(dian)感(gan)最(zui)低(di)。

緊jin接jie著zhe高gao速su信xin號hao層ceng放fang置zhi一yi個ge平ping衡heng板ban麵mian地di線xian層ceng，以yi確que保bao接jie地di層ceng和he信xin號hao走zou線xian之zhi間jian存cun在zai強qiang大da的de電dian氣qi耦ou合he。這zhe樣yang便bian建jian立li起qi傳chuan輸shu線xian互hu聯lian的de受shou控kong阻zu抗kang

，同tong時shi也ye極ji大da地di減jian少shao了leEMI。最終，平衡板麵地線層為回流提供了一個非常好的低電感路徑。

將電源層置於接地層下麵。這兩個參考層構成了一個大約為100pF/in2的附加高頻旁路電容器。

在底層布線低速控製信號。這些信號鏈路擁有足夠的餘量來承受過孔引起的中斷，從而實現了更大的靈活性。

受控阻抗傳輸線是特性阻抗Z0始終受控於其幾何特性的走線。走線長度大於15mm(tr=1ns)和 30mm(tr=2ns)時
，走線阻抗必須要與隔離器輸出阻抗Z0~rO匹配(如圖4所示)
，使信號反射最小化。這被稱為源阻抗匹配。

圖 4 源阻抗匹配：Z0 ~ rO

隔離器的動態輸出阻抗r0，可以通過隔離器數據手冊中列出的近似電壓-電流輸出特性線性部分得到。一般來說，標準輸出阻抗大約為70Ω。因此
，對一條標準的2盎司鍍銅線和電介質為4.5的FR-4而言，接地層上8mm寬
、10mm長的走線幾何形狀會產生所需的70Ω特性阻抗。

布線指南

建議遵循下列幾條主要的布線原則

，以保持信號完整性和低EMI。

為了將串擾降至10%以下，需保持信號走線是高速信號層到接地層距離的三倍(d=3h)。信號走線下的回流密度遵循1/[1+(d/h)2]函數，因此其在d>3h點上的密度會非常低
，從而避免鄰近走線中出現較大的串擾(請參見圖5)。

圖 5 利用 d = 3h 來最小化串擾

使用45o走線彎曲(或者斜切式彎曲)而非90o彎曲，可保持有效的走線阻抗並避免信號反射。
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為了實現在噪聲環境下的工作，將隔離器的閑置啟動輸入通過一個電阻器(1kΩ到10kΩ)連接到合適的參考層。將高電平有效、高位允許輸入連接到電源層

，同時將低電平有效輸入連接至接地層。

當過孔電感增加信號路徑電感時，要避免各層隨快速信號走線改變。

在隔離器與周圍電路之間使用較短的走線長度可避免噪聲引入。數字隔離器通常會帶有隔離式DC/DC轉換器，後者提供了跨越隔離層的電源。由於隔離器的單端傳輸信號對噪聲引入過於敏感
，因此鄰近DC/DC轉換器的開關噪聲可以很容易被長信號走線引入。

將大容量電容(比如10μF)置於靠近電源如穩壓器旁
，或是在電源進入PCB的地方。

通過將電容的電源端直接連接至器件的電源端，然後經過孔連至Vcc層

，在器件上安裝小容量的0.1μF或0.01μF旁路電容。經數個過孔將電容接地端連接至接地層(請參見圖6)。

圖 6 將旁路電容直接連接至 Vcc 終端

將多個過孔用於連接旁路電容和其他保護器件(例如：瞬態電壓抑製器和齊納二極管)，從而最小化接地連接的過孔電感。

總結

盡管關於PCB設計的資料有很多
，但本文主要提供一些涉及數字隔離器電路板設計的建議。遵循這些建議將有助於在最短的時間內完成一個符合EMC標準要求的電路板設計。