一文读懂，数字隔离芯片如何实现电气隔离？

数字隔离芯片是现代电气工程师在进行电路设计时所必须考虑的一种电子元件，主要用于保护低压控制电路中敏感电子设备的稳定运行与操作人员的人身安全。其不仅能隔离两个或多个高低压回路之间的电气联系，还能防止漏电流、共模噪声与浪涌等干扰信号的传播，有效增强电路间信号传输的抗干扰能力，同时提升电子系统的电磁兼容性与通信稳定性。

容耦隔离芯片的典型应用原理图

值得一提的是，在电子电路中引入隔离措施会带来传输延迟、功耗增加、成本增加与尺寸增加等问题，而数字隔离芯片的目标就是尽可能消除这些不利影响，同时满足安全法规的要求。

不同类型的隔离芯片，如何实现电气隔离？

从如何实现电气隔离功能的角度上看，隔离芯片可以分为容耦隔离芯片、磁耦隔离芯片和光耦隔离芯片三大类，其中容耦隔离芯片和和磁耦隔离芯片属于新型的数字隔离芯片。

容耦隔离是一种基于电容通高频阻低频的原理来实现信号传输与电气隔离的技术。

在信号输入阶段，来自MCU的电信号首先经过编码和调制电路，被转换为高频载波信号。通常采用开关键控（OOK）调制方式，例如，在 OOK 调制方式中，当输入信号为高电平时，发送高频载波信号；当输入信号为低电平时，不发送信号。

容耦隔离芯片的结构简示图

在信号传输阶段，调制后的高频信号通过芯片内部的隔离电容传输到输出端。由于电容具有隔直流通交流的特性，所以可以有效地阻断直流分量和低频干扰信号，只允许高频调制信号通过。

在信号接收阶段，接收到的高频信号首先经过前置放大器进行放大和预处理，然后进入解调器进行解调。解调器根据调制方式的不同，采用相应的解调算法将高频信号还原为原始的数字信号。例如，对于 OOK 调制信号，解调器通过检测信号的有无来恢复出原始的数字信号。最后，经过解码电路将解调后的信号转换为与输入信号逻辑对应的电信号输出。

磁耦隔离是一种采用电磁感应原理来实现信号传输与电气隔离的技术。

在信号输入阶段，来自MCU的电信号会经过驱动电路的处理转换为1ns的脉冲信号，当输入信号发生变化时，如从低电平变为高电平或反之，芯片会产生相应的窄脉冲信号加载到变压器的初级线圈上。

磁耦隔离芯片的结构简示图

在信号传输阶段，变压器初级线圈在脉冲信号的作用下产生磁场变化，根据电磁感应定律，变化的磁场会在次级线圈中感应出电动势。由于变压器的初、次级线圈之间具有良好的磁耦合，磁场能有效地从初级线圈传递到次级线圈，从而将初级线圈的信号以磁场为媒介耦合到次级线圈。

在信号接收阶段，次级端电路检测到感应电动势后，对其进行处理和解码，将其还原为与输入信号逻辑对应的1ns脉冲信号。而后，脉冲信号经过电路处理后在输出端重新恢复为最初的电信号。

光耦隔离是一种使用光电耦合器来实现信号传输与电气隔离的技术。

在信号输入阶段，来自MCU的电信号会通过LED，LED会根据电信号电流的大小和变化产生相应强度和变化的光信号。例如：输入高电平时，通过LED的电流较大，LED发光强度较强；输入低电平时，通过LED的电流较小或无电流，LED发光强度较弱或不发光。

光耦隔离芯片的结构简示图

在信号传输阶段，LED发出的光信号会通过光耦内部的PI、空气等透明隔离介质，传输到输出端的光敏元件中。在此过程中，由于光信号的传输是通过透明隔离介质进行的，因此输入和输出端在电气上是完全隔离的。

在信号接收阶段，光敏二极管、光敏三极管或光控晶闸管等光敏元件在接收到光信号后，会根据光信号的强度、频率等特性还原出相应的电信号。例如，光敏三极管在接收到光信号后，其内部的光敏区吸收光子产生电子-空穴对，从而使三极管的电流发生变化，实现光信号到电信号的转换。

不同类型的隔离芯片，孰优孰劣？

综上所诉，容耦隔离芯片是利用电场信号来实现的信息传输与电气隔离，采用CMOS工艺，具备抗干扰能力较强、数据传输速率较高、集成度较高、功耗较小、体积较小、成本较低等优点，常用于高速数字信号的隔离。

磁耦隔离芯片是利用磁场信号来实现的信息传输与电气隔离，采用CMOS工艺，具备数据传输速率较高、集成度较高与体积较小等优点，但其存在功耗相对容耦隔离芯片较大、易受外部磁场干扰与应用成本较高等缺点，常用于高速数字信号的隔离。

光耦隔离芯片是利用光信号来实现的信息传输与电气隔离，具备技术成熟度较高、抗干扰能力较强与成本较低等优点，但其存在数据传输速率较低、功耗较高、体积较大、隔离等级受限与光衰等缺点，常用于低速和中速数字信号的隔离。

现阶段，数字隔离芯片将进一步取代传统光耦隔离芯片已成为业内共识，其中容耦隔离芯片是业内主流的技术发展方向。在数字隔离芯片的技术赛道上，容耦隔离芯片在抗干扰能力与成本方面均优于磁耦隔离芯片，在下游市场端渗透更快，应用领域亦更加宽泛。

容耦隔离芯片，“守护”电子系统的最优选

作为传统光耦隔离芯片的升级/替代方案，华普微自主研发的隔离芯片采用了业内主流的容耦技术，可通过OOK调制方式，令发射器通过隔离栅发送高频载波表示一种数字状态，而不发送信号则表示另一种数字状态。数据信号在接收时，接收器在将信号进行预处理后进行信号解调，并通过缓冲级产生输出。容耦隔离芯片的功耗基本不随着传输数据速率的变化而改变。