四通道數(shù)字隔離器設(shè)計

程 淩，李 全，李 娟

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

四通道數(shù)字隔離器設(shè)計

程 淩，李 全，李 娟

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

片上變壓器是使用MEMS技術(shù)制造的電感線圈。傳統(tǒng)的隔離通訊設(shè)備采用的是分立式元件，體積大、功耗高并且不利于集成在同一個管殼內(nèi)。片上變壓器則可以克服傳統(tǒng)隔離設(shè)備的缺點，具有高耦合系數(shù)、低功耗以及可集成等特性，在應(yīng)用上具有非常明顯的優(yōu)勢?；谄献儔浩鳎O(shè)計了一款四通道數(shù)字隔離器，可以傳輸90 Mbps的數(shù)字信號，使用SMIC公司0.18 μm BCD工藝作為流片工藝并成功流片。芯片工作范圍為3～5 V，工作溫度范圍為-40～+125℃，傳輸延遲達到40 ns，數(shù)據(jù)傳輸速率為DC-90 Mbps。

片上變壓器；四通道隔離器；編解碼

1 數(shù)字隔離器的主要應(yīng)用及分類

為了防止電流在兩個不同的節(jié)點之間流動，通常采用隔離技術(shù)來實現(xiàn)這一目的。在以下兩種應(yīng)用場合，隔離器起著至關(guān)重要的作用：（1）在有可能出現(xiàn)高電流浪涌而導(dǎo)致電子元器件損壞的情況下；（2）存在不同地電位的接地回路互連[1]。目前，隔離器主要向著小體積、低功耗以及能同時集成數(shù)據(jù)隔離和功率傳輸為一體的方向快速發(fā)展[2]。

數(shù)字隔離器主要分為光電隔離、電磁隔離、電容隔離三大類型[3]。傳統(tǒng)隔離器通常使用光耦合隔離器，其基本原理是利用光、電之間的相互轉(zhuǎn)化來傳輸數(shù)據(jù)信號，圖1為非線性光電耦合器示意圖。由于光電耦合器不能傳輸高速數(shù)據(jù)，同時功耗較高，已經(jīng)逐漸不能滿足數(shù)字電路的傳輸要求。電容耦合則是通過對電容上下極板之間電場的變化來傳輸數(shù)據(jù)信號。圖2為數(shù)字電容隔離器結(jié)構(gòu)圖，該款電容隔離器采用差分方式來傳輸數(shù)據(jù)信號，由于電容可以傳輸高頻信號但對低頻信號傳輸能力較弱，因此在版圖設(shè)計時需要大量增加電容面積才能保證數(shù)據(jù)信號的順利傳輸。電磁耦合隔離器是通過變壓器線圈將電能變成磁能，從初級線圈傳遞到次級線圈，再將磁能重新轉(zhuǎn)化為電能的過程，通過電生磁以及磁生電最終實現(xiàn)信號的傳輸。圖3就是一款基礎(chǔ)變壓器模型。

在本款四通道數(shù)字隔離器的設(shè)計中采用電磁耦合技術(shù)，使用雙層金屬制作的電感線圈，具有體積小、功耗低、便于集成等特點，具有廣闊的應(yīng)用空間。

圖1 非線性光電耦合器

圖2 電容耦合器

圖3 電磁耦合器

2 片上微型變壓器

電感可以在高頻集成電路中作為磁能的存儲元器件使用，現(xiàn)在人們使用MEMS技術(shù)，在硅片上加工出相互靠近的兩層導(dǎo)電線圈，初級線圈和次級線圈通過磁場變化相互感應(yīng)。由于片上變壓器體積小且不存在磁芯，因此在傳輸數(shù)據(jù)的過程中不會存在磁飽和以及退磁等現(xiàn)象，可以完美地和集成電路封裝在一起。

我們可以制作多種形式的變壓器模型，圖4顯示的是一款方形疊層變壓器模型[4]。該款變壓器中包含2個線圈，在垂直方向上完全重疊擺放，上層線圈通過中心pad和外圍pad鍵合出去，而下層線圈由于完全被上層線圈所覆蓋，因此只能通過線圈本身金屬引出。

由于數(shù)字隔離器特殊的應(yīng)用要求，片上變壓器在傳輸高頻信號的同時要保證其本身不被低于2.5 kV的高壓擊穿[5]。常態(tài)下，空氣在20 kV/cm的電場下就會產(chǎn)生電離現(xiàn)象，為了耐受2.5 kV的高壓，假如采用普通的空氣隔離法，則兩線圈之間間距必須大于125μm，這會大大削弱兩電感線圈的耦合系數(shù)[6]。為了同時滿足擊穿電壓和耦合系數(shù)這兩個條件，我們在制作過程中使用聚酰亞胺作為隔離材料。

圖4 方形疊層變壓器模型

表1顯示的就是聚酰亞胺材料的電學(xué)特性?？梢钥闯?，PI材料介電常數(shù)和介電損耗非常低，使制作出的隔離層寄生電容很小，可以提高變壓器耦合性能。同時該材料具有較高的擊穿電壓和耐溫特性，綜上所述，PI材料在工業(yè)上是制作隔離材料的很好選擇。

表1 聚酰亞胺電學(xué)特性

3 電路編解碼設(shè)計

3.1 編碼（ENCODER）

ENCODER電路功能為對輸入信號電壓跳變進行邊沿編碼工作，假如在間隔超過1 μm的時間內(nèi)未接受到任何邊沿跳變，則主動發(fā)送刷新脈沖，保證正確的直流電流。ENCODER電路包含多個重要模塊：輸入濾波、刷新電路、邊沿編碼，如圖5所示。

對ENCODER電路進行分析，信號從F端輸入，在Y端輸出，A端口和B端口輸入的是基準(zhǔn)產(chǎn)生的偏置電流，C端口為電路使能端，E端口為輸出鎖定端，起作用是在掉電或者電路故障時，將Y關(guān)閉，保證正確的輸出電平。ENCODER電路內(nèi)部主要包含輸入濾波電路、邊沿編碼、刷新模塊等重要組成模塊。這里著重介紹邊沿編碼（Edge Encoding）模塊。

邊沿編碼模塊的主要功能是對信號的跳變進行編碼，信號從F端進入，進過一系列整波、濾波后，進入到S_L端，PR2和PR1提供的是刷新模塊產(chǎn)生的刷新脈沖。通常情況下刷新模塊不工作，PR1和PR2均為“1”，TD為延遲模塊，用于控制信號延遲時間。S_L信號經(jīng)過一個反相器得到的波形，同S_L經(jīng)過TD、TG以及一個與非門后的信號存在一個延遲時間，這兩個波形經(jīng)過一個與非門整合后，可以輸出一個脈沖寬度為1 ns的ENC1信號，其代表的含義是F信號的上跳。同理，我們可以獲得一個F的下跳脈沖ENC2。S_D信號經(jīng)過一系列延遲后得到ENC3，將這3個脈沖信號疊加，就得到了最終的編碼信號Y，其包含的是DC-50 Mbps的信號。

圖5 ENCODER電路

3.2 解碼（DECODER）

DECODER模塊功能為接收變壓器傳輸?shù)木幋a信號并進行解碼，功能框圖如圖6所示。主要包含4個模塊：單穩(wěn)態(tài)電路DM，雙觸發(fā)器電路，5 μs定時電路、三態(tài)輸出。

其工作原理為，通過變壓器芯片傳輸過來的信號進入A端口，經(jīng)過施密特電路整形，拉高輸入電壓來符合高電平要求。DM模塊隨后會產(chǎn)生一個固定寬度的信號FF，其電平時間為8 ns，在這個8 ns時間內(nèi)最多可以接收到3個脈沖信號，多余3個脈沖則表示為干擾信號，會停止往后續(xù)電路傳輸。整個電路的解碼功能由模塊中的雙觸發(fā)器完成，觸發(fā)器采用時鐘上升沿觸發(fā)，復(fù)位RET在低電平時清除觸發(fā)器，將輸出信號置為“0”。DM模塊產(chǎn)生的控制脈沖FF可以作為第一觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端D和復(fù)位端RST，在經(jīng)過一個反相器后又可以作為第二觸發(fā)器的時鐘輸入端CK。后級觸發(fā)器輸出的信號Q即為解碼信號。

電路中增加了5 μs的定時電路，其主要作用是當(dāng)電路發(fā)生故障時，在5 μs的設(shè)定時間內(nèi)沒有接收到脈沖，模塊將主動發(fā)出一個控制信號來鎖定輸出，同時通過I端口進行電路修調(diào)。

圖6 DECODER模塊

4 封裝引腳框圖以及版圖設(shè)計

此款四通道數(shù)字隔離器采用SOP16封裝模式，其16腳引線框圖如圖7所示。

該款芯片包含4個正向通道，各個通道需要高度匹配，同時為了保證信號之間相互不干擾，每個通道之間應(yīng)增加響應(yīng)隔離措施，在版圖設(shè)計時就有較高要求。

圖8顯示的是四通道隔離器的版圖。4個通道結(jié)構(gòu)完全相同，從PAD進入到通道的信號線也盡量做到長度和方向一致，這樣能最大限度地保證4個通道的信號傳輸時間一致。同時為了避免通道間的噪聲干擾，在每個通道之間，我們均增加了寬度為20 μm的PSUB環(huán)來屏蔽噪聲。

圖7 16腳引線框圖

圖8 四通道隔離器版圖

5 芯片測試以及主要參數(shù)

我們對流片封裝后的芯片進行測試。測試波形如圖9和圖10所示。

圖9 VDD1=VDD2=3 V，典型10 MHz測試波形

圖10 VDD1=3 V，VDD2=5 V，典型10 MHz測試波形

圖9、10中，下側(cè)波形為信號源給出的輸入波形，上側(cè)是經(jīng)過編解碼后輸出的波形?？梢钥闯鲈陔娫措妷? V和5 V的情況下，數(shù)據(jù)均可以正常傳輸且傳輸延遲均小于60 ns。

6 總結(jié)

本文基于片上變壓器，設(shè)計了一款四通道數(shù)字隔離器。整體芯片將接收芯片、發(fā)射芯片以及變壓器芯片封裝在一個管殼中，具有體積小、功耗低等特點，可以應(yīng)用于通用型多通道隔離，相比于傳統(tǒng)分離式隔離器有明顯的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。其主要參數(shù)性能如表2所示。

表2 四通道數(shù)字隔離器主要參數(shù)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]徐華.數(shù)字隔離器工作原理及應(yīng)用實例[J].電腦知識與技術(shù)，2008(22).

[4]吳圣娟.片上變壓器的設(shè)計和理論研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013:20.

[5]田野,桂欣,李一兵.基于ADuM540x隔離通信電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,(05):574-577.

[6]徐鵬華,胡宜華.四通道雙向數(shù)字隔離器ADuM2401原理及應(yīng)用[J].電子世界，2005，(12):37.

程 淩（1989—），男，江蘇無錫人，學(xué)士學(xué)歷，助理工程師，現(xiàn)從事電源及數(shù)字隔離器的版圖設(shè)計工作。

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