[논문 리뷰] A Low Cost Discrete Digital Isolator Circuit

T. J. Conway|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 25.

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한 줄 요약

이 논문은 일반용 트랜지스터와 PCB 트레이스 트랜스포머를 이용해 완전한 이산 디지털 격리기를 구성하여 >1 kV 격리, ~200 ns 지연, 및 1 Mbps NRZ 데이터 전송 속도를 달성합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 벤더 락인 및 obsolescence 리스크를 피하기 위한 이산 디지털 격리의 필요성에 대한 동기 부여.
• 일반-purpose 트랜지스터와 PCB‑embedded air-core transformers로 구현된 완전 이산 격리기 제안.
• UART/SPI와 같은 인터페이스 및 하프-브리지 구동 신호에 적합한 격리 성능, 타이밍 및 데이터 속도 능력을 입증한다.

제안 방법

• 발신측에서 빠른 시작 발진기를 형성하기 위해 교차 결합된 MOSFET 쌍을 사용한다.
• 공기 코어 트랜스포머처럼 작동하는 PCB 트레이스 나선 코일을 두 개의 PCB 면에 걸쳐 연결하는 방식으로 송신기와 수신기를 연결한다.
• 수신 측에서 induced 신호를 NPN 트랜지스터로 정류 및 증폭하여 디지털 출력 생성.
• FR4 PCB 재료를 통해 격리를 달성하고 고전압 이산 부품의 필요성을 제거한다.
• 1 Mbps NRZ 신호 및 아이 다이어그램으로 성능 특성을 나타내 데이터 속도와 신뢰성을 검증한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전 이산 디지털 격리기가 특수 IC 없이 실제 격리(>1 kV)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 PCB 트레이스 트랜스포머와 이산 트랜지스터로 어떤 데이터 속도와 전파 지연을 달성할 수 있는가?
• RQ3 설계가 내재된 락아웃 기능을 갖춘 하프-브리지 게이트 구동 신호에 적합한가?

주요 결과

• 격리 1 kV를 초과하는 격리가 FR4 PCB 재료와 이산 부품으로 달성된다.
• 전파 지연은 약 200 ns로 측정된다.
• 설계는 NRZ 데이터 속도 1 Mbps를 지원하며 이 속도에서 신뢰 가능한 전송을 나타내는 아이 다이어그램을 보인다.
• 프로토타입 PCB 레이아웃은 2레이어 보드에 8회전 PCB 트레이스 코일을 사용하고 트랜스포이어 경로를 통한 비아가 없다.
• 단위당 추정 비용은 약 50센트이며 TX 전력은 최대 25 mW, RX 전력은 최대 5 mW이다.
• 회로는 하프-브리지 드라이버 신호에 적합한 하드웨어 락아웃 기능을 시연한다.

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