iCoupler

iCoupler®是ADI（Analog Devices, Inc.）公司一項專利技術，我們也稱為“磁隔離”技術，基於iCoupler磁隔離技術的數字隔離器，我們稱之為“磁耦”。

基本介紹

• 中文名：iCoupler
• 公司：Analog Devices, Inc
• 類型：一項專利技術
• 基於：iCoupler磁隔離技術
• 又稱：“磁隔離”技術

技術原理

iCoupler磁隔離技術核心是穿越隔離阻障發射與接收信號的平面變壓器。這些變壓器完全由標準半導體製造工藝進行集成，變壓器由被聚醯亞胺層分開的兩個線圈組成，聚醯亞胺層起到隔離阻障的作用。每個線圈的直徑大約是500um，匝數15。頂部線圈粗4um，採用金材料製成；底部線圈粗1～2um，採用鋁材料製成。

iCoupler磁隔離晶片

首先，iCoupler變壓器是空心變壓器，沒有磁芯。為了實現緊密互耦，將兩個15匝、直徑500um的線圈直接堆疊，空隙僅為20um。這使得耦合係數大於0.8。

其次，iCoupler變壓器具有非常高的頻寬。頂部與底部線圈的自激頻率分別是1 GHz與400 MHz，線圈之間的電容小於0.3 pF。高頻寬與小電容意味著iCoupler磁隔離技術能夠提供極高速的數字隔離。

第三，iCoupler變壓器線圈具有低電感、高阻抗，每個線圈的電感大約是110 nH，頂部金線圈阻抗是25Ω，底部鋁線圈阻抗是50Ω。這樣的L/R比值使得低頻信號無法直接通過（如果輸入信號的脈寬大於L/R比或是只有幾納秒，變壓器很容易電流飽和）。

為了擺脫這些線圈的低頻限制，iCoupler磁隔離技術採用創新的編碼電路通過變壓器傳輸僅1～2 ns寬的脈衝，而不管輸入信號的頻率。解碼電路由這些1～2 ns寬的脈衝重新恢復出輸出信號。這種編碼/解碼方法允許iCoupler磁隔離產品傳輸直流和高頻信號。

最後，由於採用金材料製作底部線圈與頂部線圈，並通過增加線圈繞線的直徑降低阻抗，因此可以最佳化變壓器，使得能跨越隔離阻障傳輸能量。這樣做不會影響信號隔離度。ADuM540x採用isoPower技術，在一個封裝內集成隔離的數據通道與電源。

利用iCoupler磁隔離平面變壓器的獨特特徵以及一些創新的電路設計，iCoupler磁隔離產品可以在不影響性能的前提下，在一個封裝內集成許多不同的特性與功能。

隔離性能

基於iCoupler磁隔離技術的磁耦，在隔離保護方面表現優異，其能達到5000Vrms高壓隔離性能的關鍵是在iCoupler磁隔離晶片級微型變壓器頂層和底層之間的聚醯亞胺層。選擇聚醯亞胺作為絕緣材料的原因有很多，包括卓越的擊穿強度、熱量與機械穩定性、耐化學性、靜電放電（ESD）性能與相對介電常數。

採用聚醯亞胺隔離層

iCoupler磁隔離器件使用的聚醯亞胺塗層厚度為20um，介電擊穿強度超過400V/um；這使得iCoupler隔離器能夠在超過8kV的瞬間交流電壓條件下使用。由於澱積的聚醯亞胺薄膜沒有空隙且不會受到電暈放電的影響，因此iCoupler隔離期還表現出良好的抗老化行為，可以在連續的交流電壓與直流電壓下工作。

除了良好的高壓性能，聚醯亞胺還具有出眾的靜電放電（ESD）性能，能夠應對超過15kV的EOS與ESD事件。在能量有限的ESD事件期間，聚醯亞胺聚合物吸收一些電荷形成穩定自由基，中斷雪崩過程，並釋放一些電荷。其他電介質材料，如氧化物，通常不具有這么高的靜電放電容限特性，一旦ESD級別超過介質強度，可能就進入雪崩狀態，即使ESD能量較低。

iCoupler隔離器採用的聚醯亞胺還具有高的熱穩定性，失重溫度超過500°C，玻璃化轉變溫度大約是260°C。聚醯亞胺還具有高機械穩定性，拉伸強度超過120MPa，彈性延伸率超過30%。儘管延伸率高，聚醯亞胺卻不容易變形，因為其楊氏模量大約是3.3Gpa。

聚醯亞胺具有出眾的耐化學性，這是它被普遍用作高壓電纜絕緣層的一個原因。較高的耐化學性還推動了聚醯亞胺層頂部積體電路處理，例如利用Au塗層生成iCoupler變壓器線圈。

最後，聚醯亞胺層的介電常數是3.3，與小直徑Au變壓器線圈配合良好，從而使隔離層之間的電容最小。大多數iCoupler隔離器輸入與輸出之間的電容小於2.5 pF。

安全要求

ADI公司已進行了廣泛的高壓（HV）壽命可靠性測試，在高達400Vrms的工作電壓下，iCoupler磁隔離產品的HV壽命至少為65年。這一壽命數據是基於最壞情況下的雙極交流波形條件得到的。在單極交流或直流波形條件下，其HV壽命甚至更長。

對於封裝而言，安全性標準對最小間距有一定的要求。爬電距離的定義為隔離柵兩側的導體之間沿著絕緣表面的最短距離，而電氣間隙定義為導體之間沿空間的最短距離。iCoupler磁隔離產品所採用封裝都已獲得CSA，VDE，TUV和UL認證，其爬電距離和電氣間隙至少為4mm，有的超過8mm。這些間距能夠滿足在不同隔離強度下的安全要求。

功能擴展

採用iCoupler磁隔離技術的磁耦數字隔離器在體積、功耗及速率方面都優於光耦，但與光耦相同的是，隔離器都需要DC-DC隔離電源供電。這就造成了在成本、空間和電源功率等各方面的限制。因此，iCoupler磁隔離技術與另一項專利技術isoPower™相結合，提供了一種新的隔離方法，大大減小了尺寸封裝和成本，無需權衡數據傳送速率和額定隔離電壓。在眾多的iCoupler磁隔離產品中，將iCoupler數位訊號隔離技術，isoPower隔離電源技術及接口收發器集成在一片晶片封裝中，實現了單晶片實現接口完全隔離的方案。