[論文レビュー] A Low Cost Discrete Digital Isolator Circuit

T. J. Conway|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2026

Electrostatic Discharge in Electronics被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、汎用トランジスタとPCBトレース変圧器を用いた完全離散型の低コストデジタルアイソレータを提示し、>1 kVのアイソレーション、約200 nsの遅延、1 Mbps NRZデータレートを実現します。

ABSTRACT

This work presents a fully discrete, low cost digital isolator requiring no specialized ICs and implemented entirely with general purpose transistors and a two layer PCB embedded air core transformer. The design avoids vendor lock in and long term component obsolescence risks, while providing >1 kV isolation, ~200 ns propagation delay, and validated NRZ data rates of 1 Mbps. A modified dual oscillator architecture enables inherent hardware lockout suitable for half bridge gate driver applications. Measured performance and PCB layout guidelines are provided.

研究の動機と目的

• Vendor lock-inと陳腐化リスクを回避するための離散デジタルアイソレーションの必要性を動機づける。
• 汎用トランジスタとPCB埋め込みエアコア変圧器を用いた完全離散アイソレータを提案する。
• UART/SPI様インタフェースおよび半ブリッジ信号に適したアイソレーション性能、タイミング、データレート能力を実証する。

提案手法

• 送信側で高速起動発振器を形成するためのクロスカップルMOSFETペアを使用する。
• PCBの両面間でエアコア変圧器として機能するPCBトレース螺旋コイルを用いて送信機と受信機を結合する。
• 受信側で誘起信号を整流・増幅し、NPNトランジスタでデジタル出力を得る。
• FR4 PCB材料を用いたアイソレーションにより高電圧ディスクリート部品を不要にする。
• 1 Mbps NRZ信号とアイ線図で性能を特性評価し、データレートと信号品質を検証する。

Figure 2: Layout of transmitter (top side) and receiver (bottom side) for 2 layer PCB

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全離散のデジタルアイソレータで実用的なアイソレーション（>1 kV）を特化ICなしで達成できるか。
• RQ2 PCBトレース変圧器とディスクリートトランジスタでどの程度のデータレートと伝搬遅延を達成できるか。
• RQ3 設計は半ブリッジゲートドライバ信号伝達とロックアウト機能に適しているか。

主な発見

• FR4 PCB材料と離散部品を用いて1 kVを超えるアイソレーションを達成。
• 伝搬遅延は約200 nsで測定。
• NRZデータレート1 Mbpsをサポートし、このレートで信号のアイ線図が安定伝送を示す。
• プロトタイプPCBレイアウトは8ターンのPCBトレースコイルを用いた2層基板で、変圧路にはビアを使用していない。
• 単位あたりの概算コストは約0.50ドル、TX出力は最大25 mW、RX出力は最大5 mW。
• 回路は半ブリッジドライバ信号伝達に適したハードウェアロックアウト機能を示す。

Figure 3: Measured logic transfer for the prototype PCBs with a 1 Mbps NRZ random data signal