一 行業現狀
繼美國之后，我國也將智能電網的發展提到戰略的層面。智能電網要求從發電、輸電到配電的整個電網，包括系統和元器件可靠、安全，能夠保證供電的連續性、安全性，低壓電器為了適應智能電網的應用，提高低壓配電與控制系統運行可靠性以及自動化程度，實現系統網絡化是發展的必然方向。一旦系統實現網絡化，低壓電器必須具有雙向通信功能，經通信適配器能與各種現場總線系統連接。工業以太網技術發展與應用，使配電系統通信網絡變得更簡潔、更高效。同時，低壓電器必須具有更高的動作可靠性和承受環境變化帶來的影響。
由于低壓電器所處的工作環境非常惡劣（如強磁場，電磁輻射，瞬態干擾脈沖，溫度），低壓電器通信的可靠性受到挑戰；為了保證通信的準確可靠和系統穩定，通常會選用一些隔離器件將通訊數據在接口上實現電氣隔離，提高低壓電器工作的可靠性。
二 隔離技術
當前的隔離技術主要有：變壓器、光耦合器、iCoupler隔離器、電容隔離以及GMR隔離器，都提供電流隔離的典型方法，它們能阻斷不共地兩點之間的電流，同時允許數據順利通過。所謂“隔離”是用來保護設備以防由電源浪涌或接地環路引起的高電壓或電流而造成設備損壞或工作失常。如果不采用隔離，上述電流會引入噪聲，降低數據傳輸可靠性，甚至會毀壞系統元件。
1. 光耦合器
光耦合器是應用范圍較廣的產品，它以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端是電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。光耦合器會占用很大的空間，傳輸頻率也相當有限(最多僅數十個Mbps)。更糟的是，光耦合器的效能還會隨著環境溫度的增加而下降。隨著系統溫度升高，光耦合器的驅動電流需求在許多情形下會增加一倍，這是因為電流傳送比(CTR，代表輸入信號傳送到輸出端的比值)會隨著溫度從25℃升高至100℃而減少六成。這會增加光耦合器驅動電流和系統散熱需求。
2. iCoupler隔離器
iCoupler技術基于芯片級變壓器，采用晶圓級工藝直接在片上制作變壓器。iCoupler變壓器采用平面結構，在晶圓鈍化層上使用CMOS金屬和金構成。金層下有一個高擊穿的聚酰亞胺層，將頂部的變壓器線圈與底部的線圈隔離開來。連接頂部線圈和底部線圈的CMOS電路為每個變壓器及其外部信號之間提供接口。使用傳送到給定變壓器初級端的1 ns脈沖對輸入邏輯跳變進行編碼。這些脈沖從變壓器初級線圈耦合到次級線圈，并且由次級端電路檢測。然后，該電路在輸出端重新恢復成輸入數字信號。此外，輸入端還包含一個刷新電路，保證即使在沒有輸入跳變的情況下輸出狀態也與輸入狀態保持匹配。
3. GMR隔離器
GMR高速數字隔離器件是采用GMR巨磁電阻技術集成的高速CMOS器件。巨磁電阻（GMR）效應來自于載流電子的不同自旋狀態與磁場的作用不同，因而導致的電阻值的變化。這種效應只有在納米尺度的薄膜結構中才能觀測出來。在GMR隔離器中，輸入端信號在低電感線圈感應電流，產生正比的磁場。總的磁場改變GMR的電阻，通過CMOS集成電路分析，輸出就是輸入信號的精確重生。GMR在隔離方面具有兩個重要的優勢。首先，GMR電阻的巨大變化提供了一個更大的信號。其次，也許更重要的是， GMR技術與集成電路技術兼容，允許巨磁阻器件可作為一部分芯片的封裝，這將導致更小，更快，更精確的器件。
4. 電容耦合隔離器件
電容耦合使用不斷變化的電場來通過隔離層實現信息傳輸。電容器極板之間的材料是電介質絕緣體(二氧化硅)，即隔離層，這種高性能的絕緣體具有很穩定的可靠性和耐用性以及抗磁干擾能力和抗瞬態電壓能力。采用電容隔離層的優勢是效率高，無論在體積、能量轉換還是在抗磁場干擾方面均如此。電容耦合的缺點在于無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道。這就要求信號頻率應遠高于可能出現的噪聲頻率，以便使隔離層電容對信號呈現低阻抗而對噪聲呈現高阻抗。電容耦合存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數據。
三NVE隔離器性能
NVE公司于1998年推出了基于GMR技術的隔離產品，是全球第一家把GRM技術產業化的供應商。圖1是隔離器的內部設計圖。在GMR磁電隔離器中，由線圈內的電流產生磁場，并通過絕緣勢壘擴展磁場，GMR元件傳感這個場。由于線圈電路和傳感電路被高介電強度介質隔開，這樣，在驅動線圈和傳感磁場時，數據(信號)就可以通過這個器件；而且線圈電路和傳感電路彼比之間沒有直接的連接通道，即它們是弧立的，故可以獲得很高的隔離電壓。給GMR磁場敏感元件鍍上高導磁率坡莫合金軟磁層，既可以減少外部磁場的干擾，又可以使片上線圈電流產生的磁場倍增。
圖1 隔離器的內部設計圖
磁隔離(IsoLoop)最重要的優點是容易與芯片上的電子元件集成；有可能同其他通信電子元件集成為多通道隔離器，且設計和制造工藝較簡單。具有以下優勢：
1. 傳送波特率高-----目前設計的GMR磁電隔離器，能夠達到110Mbps，最高為150Mbps。而市售的速度最快的光電隔離器的工作速度約為10Mbps。使用變壓器的隔離器也可以在甚高頻下以25Mbps的速度工作。但是使用這種隔離變壓器時，必須對數據編碼，并且不適合于任意的隨機邏輯傳輸；
2. 數據轉換性能高-----2ns脈沖失真，10 ns典型的傳輸延遲，4ns典型的傳輸差異。低的脈沖失真，能夠確保數據傳輸的準確性；在光耦的應用時，為了達到這一目的，都在程序上加入容錯的處理，這樣一旦發生故障，響應的時間會增長。快的傳輸延遲，能夠是數據及時達到，保證系統運行在正確的狀態。
3. 安全規格-----2.5KVrms隔離/1分，30 kV/µs瞬態抗擾度，工作溫度范圍-40-125°C。符合IEC61010-1 UL1577 EN50081-1 EN50082-1。
4. 體積小----集成度高，單芯片最多集成5個通道；除了SOIC封裝外，還有更小體積的MSOP，更好的節省PCB空間。
四 應用
NVE公司推出的IL41050是一款使用單芯片隔離CAN/DeviceNet收發器，完全符合ISO11898 CAN 標準，集成了一CAN收發器，工作溫度范圍-55-125°C，能夠滿足汽車、工業自動化、通信等領域。
圖2 IL41050方案圖
圖2是IL41050的CAN總線隔離方案，用一個隔離型的DC-DC Converter和IL41050就可以實現，不需要額外的收發器，能夠減少器件，節約成本。對于CAN總線來說,傳輸回路的延遲非常重要 Loop Delay，IL41050的延遲只有180ns，是一款性能出色的隔離芯片。
此外，還有很多其他類型的產品，如IL600系列替換光耦的首選；針對各種通信接口（RS485,RS232,SPI,I2C等），由特定的產品提供更好的隔離解決方案。（各方面的隔離方案）
五 總結
在低壓電器越來越智能化，可靠性要求也越來越嚴格的情況下，選擇性能更高、成本更低的隔離產品，NVE隔離產品滿足這些要求嚴格的地方使用，是一個不錯的選擇。
