小芯片大安全：数字隔离器的前世今生丨智言智语

发布时间：2021-03-13 10:57:54来源：中科院之声

编者按:智显未来，洞见新知。中科院之声与中国科学院自动化研究所联合开设“智言智语”科普专栏，为你介绍人工智能相关知识与故事，从最新成果到背后趣闻，带你徜徉AI空间，看人工智能如何唤醒万物，让世界变得更美好。

数字隔离器是什么？对大多数人来说，数字隔离器是一个陌生的名字……

大概长这样！似乎看起来也有些陌生

但实际上，它广泛地存在于你我身边，并且肩负着系统安全的重要责任！举例来说，2013年一位空姐在手机充电状态下拨打电话，由于劣质充电器漏电，不幸触电身亡。而手机充电器内部如果采用我们今天要谈的合格的数字隔离器进行隔离，就可在极大程度上规避该类事故发生。

数字隔离器是一种在电气隔离状态下实现信号传输的器件，广泛应用于工业控制、电力能源、通信网络、仪器仪表、消费电子等各种电子系统设备中。

最早出现的数字隔离器是光耦。光耦利用“电-光-电”转换原理，实现信号的隔离传输，目前常见的结构由发光二极管和光敏三极管组成，两者之间采用导光胶实现隔离和光信号传输。在2000年以前，光耦是唯一的一种数字隔离器，所以它也成为了数字隔离器的代名词。

光耦虽然可以满足基本的数字隔离需求，但是存在功耗大、速率低、寿命短的缺点，严重限制其在低功耗、高性能、高可靠性场合的应用。

随着技术的发展和创新，电子系统对数字隔离器的性能提出了更高要求，因此高传输速率、低功耗、高可靠性、小体积、高集成度的数字隔离器成为了国内外研究的热点问题，自2000年以来，涌现出基于CMOS工艺的电容耦合隔离器（容耦）、电磁耦合隔离器（磁耦）、巨磁阻隔离器等新型隔离器。

电磁耦合隔离器由初级电路、片上变压器、次级电路组成，利用“电-磁-电”变化原理实现信号的隔离传递，其中如何设计和加工具有高耐压的片上微型变压器，并构建与之精确配合的发送和接收电路是电磁隔离器设计的关键技术。

电容耦合隔离器由初级电路、片上电容、次级电路组成，利用电容的“通交流、阻直流”特性实现信号的隔离传递，其中如何设计和加工具有高耐压的片上电容以及提高共模瞬态抑制能力是电容耦合器的设计关键技术。

巨磁阻隔离器由初级电路、线圈、巨磁阻薄膜、次级电路组成，利用线圈产生磁场，并由巨磁阻薄膜感知磁场变化实现信号的隔离传递，其中如何设计和加工巨磁阻薄膜，是巨磁阻隔离器设计的关键技术。

在下表中，我们总结了上述各种隔离器的特点，可以看出，采用CMOS工艺制造的数字隔离器在功耗、速率、寿命方面更具有优势，尤其是电容耦合和电磁耦合方式正在加速取代传统的光耦合器，成为数字隔离器的首要选择。

尽管大部分人此前可能都没听说过数字隔离器，但它却是电子产品与众多设备生产中不可或缺的重要组成部分。从光耦到数字磁隔离器，小芯片是决定安全的大问题，小小数字隔离器的背后是广阔的拓展空间，也是实现自主研制、替代升级的破土之力。

中科院自动化所作为国家级集成电路研发平台，自2010年长期开展电磁耦合数字隔离器研究，并于2017年自主研制出国内首款数字磁隔离器，有效打破了国际大厂的技术垄断，填补国内的技术空白。相关产品目前已通过了UL1577安全认证，广泛应用于国内主要工业部门。

来源：中国科学院自动化研究所

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