ISO721-Q1与ISO722-Q1高速数字隔离器：设计与应用全解析

在电子设计领域，数字隔离器是保障电路安全和信号稳定传输的关键组件。今天我们要深入探讨的ISO721-Q1和ISO722-Q1 3.3V与5V高速数字隔离器，来自德州仪器（Texas Instruments），它们在性能、安全和应用方面都有着出色的表现。

文件下载：iso722-q1.pdf

一、特性亮点

高速与低延迟

这两款隔离器提供100Mbps的信号速率选项，典型传播延迟仅为12ns，脉冲偏斜典型值为0.5ns。这样的高速和低延迟特性，使得它们在对信号传输速度和准确性要求极高的应用中表现卓越，比如高速数据采集系统。

低功耗与长寿命

具备低功耗睡眠模式，在额定工作电压下典型寿命可达28年（参考绝缘特性曲线）。这不仅降低了系统的能耗，还延长了设备的使用寿命，减少了维护成本。

故障安全输出

当输入电源丢失或未被有效驱动时，故障安全电路会将输出驱动到逻辑高电平，确保系统在异常情况下仍能保持安全状态。

兼容性与宽温度范围

可作为大多数光耦和磁隔离器的直接替代品，能在3.3V和5V电源下工作，工作温度范围为 -40°C至 +125°C，适用于各种恶劣的工业环境。

安全认证

通过了多项安全相关认证，如DIN EN IEC 60747-17（VDE 0884-17）、UL 1577组件认可计划以及IEC 61010-1、IEC 62368-1认证，为系统的安全性提供了可靠保障。

二、应用领域

工业自动化

在工厂自动化系统中，可用于Modbus、Profibus™和DeviceNet™等数据总线，有效隔离噪声电流，保护敏感电路，确保数据的准确传输。

计算机外设接口

在计算机与各种外设之间提供可靠的信号隔离，防止干扰和损坏，提高系统的稳定性。

伺服控制接口

为伺服控制系统提供高速、低延迟的信号隔离，保证控制信号的精确传输，提高伺服系统的性能。

数据采集

在数据采集系统中，隔离器能够有效隔离噪声，提高采集数据的准确性和可靠性。

三、产品描述

隔离原理

ISO721-Q1和ISO722-Q1采用二氧化硅（SiO₂）绝缘屏障将逻辑输入和输出缓冲器分隔开，该屏障可提供高达4000VPK的电气隔离（根据VDE 0884-17标准）。结合隔离电源使用时，能防止数据总线或其他电路上的噪声电流进入本地接地，避免干扰或损坏敏感电路。

信号传输过程

二进制输入信号经过调理后转换为平衡信号，再通过隔离屏障进行差分处理。在隔离屏障另一侧，差分比较器接收逻辑转换信息，相应地设置或重置触发器和输出电路。同时，周期性的更新脉冲会穿过屏障，以提供输出的正确直流电平。

故障安全机制

如果超过4μs未接收到直流刷新脉冲，输入将被视为未供电或未被有效驱动，故障安全电路会将输出驱动到逻辑高电平。

电源要求

这两款设备需要两个3.3V、5V或任意组合的电源电压。当由3.3V电源供电时，所有输入都能承受5V电压，所有输出均为4mA CMOS。

ISO722-Q1的特殊功能

ISO722-Q1包含一个低电平有效输出使能端，当驱动到高逻辑电平时，输出将处于高阻抗状态，并关闭内部偏置电路以节省功耗。

输入阈值和噪声滤波

ISO721-Q1和ISO722-Q1具有TTL输入阈值和输入噪声滤波器，可防止持续时间长达2ns的瞬态脉冲传递到设备输出端。

四、设备对比

部件编号	信号速率	输出使能	输入阈值	噪声滤波器
ISO721-Q1	100 Mbps	否	TTL	是
ISO722-Q1	100 Mbps	是	TTL	是

从对比表中可以看出，ISO722-Q1比ISO721-Q1多了输出使能功能，工程师可以根据具体应用需求进行选择。

五、引脚配置与功能

引脚图

ISO721-Q1和ISO722-Q1采用8引脚SOIC封装，其引脚配置清晰明了，方便工程师进行电路设计。

引脚功能

引脚名称	引脚编号（ISO721x-Q1）	引脚编号（ISO722x-Q1）	类型	描述
VCC1	1	1	-	电源，VCC1
VCC2	8	8	-	电源，VCC2
IN	2	2	I	输入
OUT	6	6	O	输出
EN	-	7	I	输出使能。当EN为低电平或断开时，OUT使能；当EN为高电平时，OUT禁用
GND1	4	4	-	VCC1的接地连接
GND2	5	5	-	VCC2的接地连接

六、规格参数

绝对最大额定值

了解设备的绝对最大额定值非常重要，它能帮助我们避免因超出额定范围而导致设备损坏。例如，电源电压（VCC1和VCC2）的范围为 -0.5V至6V，输出电流为 ±15mA，最大虚拟结温为170°C。

推荐工作条件

在推荐工作条件下，设备能发挥最佳性能。如电源电压（VCC1和VCC2）范围为3V至5.5V，高电平输出电流最大为4mA，低电平输出电流为 -4mA，输入脉冲持续时间最小为10ns等。

热信息

热信息对于评估设备在不同环境下的散热性能至关重要。包括结到环境的热阻、结到外壳（顶部）的热阻、结到电路板的热阻等参数，这些参数能帮助工程师设计合理的散热方案。

功率额定值

在特定测试条件下（VCC1 = VCC2 = 5.5V，TJ = 150°C，CL = 15pF，输入100Mbps 50%占空比方波），设备的功率耗散最大为159mW。

绝缘规格

绝缘规格是数字隔离器的关键指标之一。外部间隙（CLR）和外部爬电距离（CPG）均为4mm，通过绝缘层的距离（DTI）为0.008mm，比较跟踪指数（CTI）≥400V等，这些参数确保了设备的电气隔离性能。

安全相关认证

通过的安全相关认证为设备的安全性提供了权威保障，如VDE认证（DIN EN IEC 60747-17）、CSA认证（IEC 62368-1）和UL认证（UL 1577组件认可计划）。

安全限制值

安全限制值旨在最小化输入或输出电路故障时对隔离屏障的潜在损坏。例如，安全输入、输出或电源电流在不同条件下有相应的限制值，安全温度为150°C。

电气特性

电气特性包括不同电源电压下的电源电流、输出电压、输入电流、输入电容和共模瞬态抗扰度等参数。这些参数会因电源电压的不同而有所变化，工程师在设计时需要根据具体情况进行选择。

开关特性

开关特性描述了设备在信号转换过程中的性能，如传播延迟、脉冲偏斜、输出信号上升时间和下降时间等。不同电源电压下的开关特性也有所差异，需要根据实际应用进行评估。

七、参数测量信息

文档中详细介绍了各项参数的测量电路和电压波形，为工程师进行参数测量提供了准确的指导。例如，开关特性测试电路、睡眠模式输出测试电路、故障安全延迟时间测试电路和共模瞬态抗扰度测试电路等。

八、详细描述

概述

ISO72x-Q1系列设备通过基于二氧化硅的隔离屏障传输数字数据。输入信号由发射器采样，在每个数据边沿，发射器会发送相应的差分信号穿过隔离屏障。当输入信号静止时，刷新逻辑会定期发送必要的差分信号。接收器将差分信号转换为单端信号，并通过缓冲器输出。如果接收器未接收到数据或刷新信号，超时逻辑会检测到输入侧信号或电源丢失，并将输出驱动到默认电平。

功能框图

功能框图清晰地展示了设备的内部结构，包括发射器、接收器、刷新逻辑和超时逻辑等部分，帮助工程师更好地理解设备的工作原理。

设备功能模式

ISO721-Q1和ISO722-Q1具有不同的功能模式，通过表格详细列出了不同电源电压和输入条件下的输出状态，方便工程师进行电路设计和故障排查。

九、应用与实现

应用信息

ISO72x-Q1设备采用单端TTL或CMOS逻辑开关技术，电源电压范围为3V至5.5V。在数字隔离器设计中，由于其单端设计结构，不遵循任何特定的接口标准，仅用于隔离单端CMOS或TTL数字信号线。通常将隔离器放置在数据控制器（如μC或UART）与数据转换器或线路收发器之间。

典型应用

以隔离CAN接口为例，ISO721设备可与德州仪器的微控制器、CAN收发器、变压器驱动器和低压差电压调节器配合使用，构建可靠的隔离CAN接口。

设计要求

与光耦不同，ISO72x-Q1设备仅需要两个外部旁路电容即可工作，简化了电路设计。

详细设计步骤

提供了典型的电路连接图和引脚交叉参考表，帮助工程师进行电路设计和替换其他隔离器。

电源供应建议

为确保设备在数据速率和电源电压下可靠运行，需要在输入和输出电源引脚（VCC1和VCC2）放置0.1μF的旁路电容，并尽量靠近电源引脚。如果应用中只有单个初级侧电源，可借助变压器驱动器（如德州仪器的SN6501设备）为次级侧生成隔离电源。

布局

PCB布局对于设备的性能至关重要。建议采用至少四层的PCB设计，层叠顺序为高速信号层、接地层、电源层和低频信号层。在布局时，需要注意高速信号的布线、接地层和电源层的设置以及低速控制信号的布线等问题。同时，对于数字电路板，建议使用标准FR-4 UL94V-0印刷电路板，以获得更好的性能。

十、设备与文档支持

设备支持

提供了相关的开发支持资源，如德州仪器的多个参考设计和ISO72x IBIS模型，帮助工程师进行产品开发。

文档支持

提供了相关的文档资源，如数字隔离器设计指南、隔离术语表、隔离RS-485参考设计应用报告和ISO721EVM用户指南等，方便工程师获取更多的技术信息。

文档更新通知

工程师可以通过导航到设备产品文件夹，点击“通知”进行注册，以接收文档更新的每周摘要。

支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、可靠答案和设计帮助的重要渠道，可直接向专家咨询问题。

商标说明

对文档中涉及的商标进行了说明，提醒工程师注意商标的使用规范。

静电放电注意事项

由于集成电路容易受到静电放电（ESD）的损坏，德州仪器建议在处理集成电路时采取适当的预防措施，以避免设备损坏。

术语表

提供了术语表，帮助工程师理解文档中涉及的专业术语和缩写。

十一、修订历史

详细记录了文档的修订历史，包括不同版本之间的更改内容，方便工程师了解产品的发展和改进情况。

十二、机械、包装与订购信息

提供了设备的机械、包装和订购信息，包括不同封装选项、包装数量、载体类型、RoHS合规性、引脚镀层材料、MSL评级和峰值回流温度等，帮助工程师进行产品选型和采购。

总之，ISO721-Q1和ISO722-Q1高速数字隔离器在性能、安全和应用方面都具有出色的表现，为电子工程师提供了可靠的信号隔离解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体应用需求，综合考虑设备的各项特性和参数，合理进行电路设计和布局，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用数字隔离器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。