[发明专利]磁耦合元件以及磁耦合型隔离器

说明书

技术领域

本发明涉及磁耦合元件(绝缘型接口元件、隔离元件)以及磁耦合型 隔离器。

背景技术

磁耦合元件被用于进行数字信号或模拟信号的传送的隔离器等，例如， 适用于将计算机和其周边设备连接的接口、将电位不同的电路间连接的接 口、以及通信网络上的中继传送装置中的接口等。

在电位不同的电路间，在进行信号传送时，需要如下的接口，即，在 输入输出之间进行电绝缘的同时，通过某种方式使输入信号通过绝缘体且 向输出侧供给。使信号通过绝缘体的方法通常大致分为三种。即，分别是 使用光、磁场或电场的方法。作为使用光的光耦合型隔离器，具有光耦合 器；作为使用磁场的磁耦合型隔离器，具有利用有脉冲变压器或巨大磁阻 (GMR)元件的GMR隔离器；作为使用电场的电场耦合型隔离器，具有 利用了输入输出间的绝缘体的微小静电量的电容耦合隔离器。

这些种类的隔离器都是具有在输入输出之间电绝缘和信号耦合两种功 能的绝缘型接口。基于光的耦合对于在来自外部的电场磁场的影响具有抵 抗性，而使用有磁场或电场的耦合相比于光，可实现传送速度的大幅度提 高。

光耦合器主要由发光二极管(LED)和光检测器构成，输入输出之间 通过树脂而被电绝缘。在LED流过电流时LED发光，光经由树脂到达光检 测器。频率特性直至成为由DC决定的频率之前是平直的，传送速度由内部 的光学元件等诸特性决定，在数字传送中，以数10Mbps为界限。

脉冲变压器通过在一次线圈与二次线圈之间的电磁感应而进行信号传 送，也能够进行传输效率高的双向通信。在频率特性中不能够进行DC传输。 这是因为，通过一次线圈的电流变化产生的磁场变化在二次线圈中作为电 流变化被检测出，由此不能够对不伴随电流变化的DC信号进行传输。脉冲 变压器的高速化的界限可以说是由芯的磁性材料决定的。另外，在目前正 在普及的千兆位LAN中，在规格上决定传送频带为100MHz，故而在实现 1Gbps时，使用四个具有250Mbps的传输速度的线路，另外，针对每一线 路进行多进制数值化(五进制)。即，在网络钟使用的脉冲变压器的动作速 度适用于千兆位LAN的传送频带的情况下，在二进制数字传送中为 125Mbps左右。

GMR隔离器能够将脉冲变压器的二次线圈置换成使用有GMR元件的 磁场传感器。将根据输入电流的变化而产生的磁场强度的变化作为电阻值 的变化而由GMR元件检测，故而能够传送DC信号。传送速度基本上难以 超过脉冲变压器，但是在数字传送中可实现100Mbps。相对于脉冲变压器， GMR隔离器具有在到达由DC决定的频率之前是平直的频率特性，故而定 位为代替光耦合器的高速的隔离设备，在狭义上可表现为“磁耦合器”。

电容耦合隔离器通过输入输出间的绝缘体的微小静电容而进行信号传 送。由于信号和干扰共享同一路径，故而需要将信号的频带设定得比干扰 高。即，在绝缘体的微小的静电容中，信号容易通过，干扰不易通过。因 此，频率特性限定在高频的频带，不能够传送DC。传送速度在数字传送中 可实现150Mbps。

在这些绝缘型接口中需要高速化的背景之一为：设备控制的高精度化 和高速化由于基于半导体技术进步的高速麦克风、DSP、FPGA的登场而正 在普及，但是，高速的微机类成为干扰源，会对周边电路(模拟电路等) 产生较大的影响。因此，在今后的设备的高精度化和高速化中，要求接口 元件也高速化和高绝缘化。

在实现数字传送的高速化时，需要降低S/N比并进行多进制数值化、 需要扩大传送频带，但是，另一方面，DC信号的传送也成为课题。在网络 中的脉冲变压器的用途中，无需进行DC传送，但是作为其他用途，在一定 时间、相同电平的数字信号连续时，要求不进行符号化而直接作为信号进 行传送、将模拟信号波形直接传送，为了实现这些目的，需要进行DC信号 的传送。在电容耦合隔离器中，在传送DC信号时，也具有通过将DC信号 转变成脉冲宽幅调制(PWM)信号来进行传送的方法，但在该情况下，需 要另外构建用于此的的电路系统。在这样的用途中，GMR隔离器能够进行 DC传送且频带宽，故而与其他方式相比是有利的。