《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》：A375kV/μs Common-Mode Transient Immunity Digital Signal Isolator with High Reliability
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本文针对新能源电动汽车等新兴行业对高共模瞬变抗扰度(CMTI)的迫切需求，提出了一种基于磁耦合技术的高可靠性数字信号隔离器。研究团队采用曼彻斯特编码技术将载波时钟与输入信号嵌入同一数据流传输，结合共模电流消除(CMCE)技术和双反馈高CMTI放大电路，有效抑制了共模噪声干扰。测试结果表明，该隔离器在0.96ns内承受375kV/us的共模瞬变电压，传输速率达5MHz，功耗仅2.9mA@1MHz，为宽禁带半导体器件的可靠运行提供了关键技术支撑。
随着新能源电动汽车、工业自动化等领域的快速发展，电力电子系统的电压等级和开关速度不断提升。特别是碳化硅(SiC)器件的广泛应用，使得开关过程中的电压变化率(dV/dt)可超过200kV/us，这对信号隔离技术提出了前所未有的挑战。传统光耦隔离器因共模瞬变抗扰度(Common-Mode Transient Immunity, CMTI)性能不足已逐渐无法满足需求，而磁耦合隔离技术虽然具有先天优势，但寄生电容等因素仍限制了其CMTI性能的进一步提升。
在这一背景下，浙江大学的研究团队在《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》上发表了一项创新研究成果。他们开发了一种具有375kV/us超高CMTI性能的数字信号隔离器，通过多项关键技术突破，有效解决了高压高速开关环境下的信号隔离难题。
该研究主要采用了四项核心技术：曼彻斯特编码(Manchester encoding)技术将时钟与数据信号融合传输；共模电流消除(Common-Mode Current Elimination, CMCE)技术快速泄放共模电流；双反馈高CMTI放大电路同时稳定输入共模电平与输出直流工作点；边缘触发振荡器实现时钟恢复与数据解调。这些技术的协同作用确保了隔离器在极端共模噪声环境下的可靠工作。
系统架构设计
研究团队设计了完整的磁耦合信号隔离器系统架构。发射端采用本地反馈环路产生载波信号，通过曼彻斯特编码将输入信号与时钟信号合并为单一数据流。接收端通过CMCE技术快速消除共模电流，再利用双反馈放大器将差分信号放大至电源轨，最后通过解码电路恢复时钟信号并解调输出数据。
曼彻斯特编码技术
编码电路在时钟下降沿将高电平数据编码为上升沿，低电平数据编码为下降沿，实现了时钟与数据的同步传输。解码端设计持续时间超过0.5个时钟周期的校准信号，有效抑制了因编码规则产生的错误转换信息。
共模电流消除技术
通过单位增益负反馈的直流稳定电路，将共模电压稳定在2.5V。当共模瞬变发生时，寄生电容产生的共模电流会通过MOS管快速泄放到地电位，避免对传输信号造成干扰。该技术显著提升了系统对共模噪声的抑制能力。
双反馈高CMTI放大电路
内部反馈电路通过实时检测输出端共模电压，维持输出电压稳定；外部反馈电路采用电压型负反馈，将运放输入共模电平维持在2.5V，确保差分信号正常放大。两种反馈分别处理不同频段的信号，实现了良好的协同工作。
解码电路设计
通过D触发器采集差分信号的上升沿信息，利用边缘信号控制振荡器产生校准时钟，屏蔽错误边缘信息。采用较大电容生成占空比大于0.5的校准时钟，确保数据正确解调。
测试验证结果
基于DBH 0.18μm BCD工艺的测试结果显示，当施加1kV共模瞬变电压时，该隔离器在0.96ns内实现了375kV/us的CMTI性能。数据传输速率达到5MHz，传输延迟为28ns，在1MHz速率下功耗仅为2.9mA。与现有先进产品相比，该设计在CMTI性能上具有明显优势。
这项研究的成功实施为高可靠性数字隔离技术提供了新的解决方案。通过创新性地结合曼彻斯特编码、共模电流消除和双反馈放大等技术，研究团队实现了目前业界领先的CMTI性能。该成果不仅满足了新能源电动汽车等新兴领域对高可靠性信号隔离的迫切需求，也为宽禁带半导体器件在高压高开关频率应用中的推广提供了关键技术支撑。其低功耗、高集成度的特点使其在汽车电子、工业控制、医疗设备等领域具有广阔的应用前景。
