簡(jiǎn)介

對(duì)于隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員而言，數(shù)字隔離技術(shù)的快速發(fā)展正在產(chǎn)生新功能，大大簡(jiǎn)化了他們的工作。示例包括集成的隔離電源和真正的雙向隔離通道，可以降低系統(tǒng)成本并節(jié)省電路板空間。通過(guò)從基于LED的光耦合器轉(zhuǎn)向與標(biāo)準(zhǔn)代工CMOS工藝兼容的新型隔離器技術(shù)，推動(dòng)了這些進(jìn)步。它們使集成電路與芯片級(jí)微變壓器封裝在一起，從而將更多功能集成到單個(gè)封裝中。

本文討論了兩種體現(xiàn)這些進(jìn)步的器件。在第一個(gè)例子中，隔離電源，芯片級(jí)微變壓器由開(kāi)關(guān)，整流器和穩(wěn)壓器補(bǔ)充，以產(chǎn)生隔離的，穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器;當(dāng)與隔離數(shù)據(jù)通道集成時(shí)，它提供了完整的隔離解決方案。在第二個(gè)示例中，雙向隔離，集成了必需的緩沖區(qū)和驅(qū)動(dòng)程序，創(chuàng)建了一個(gè)隔離器，它具有真正的雙向隔離通道，無(wú)需外部信號(hào)調(diào)理。

隔離電源： iso 電源

電流隔離用于跨安全屏障傳輸數(shù)據(jù)和/或電源，同時(shí)還阻止電流或電流流過(guò)該屏障。 ADI公司 i 耦合器 ? 系列 <數(shù)字隔離器的em> 使用芯片級(jí)微變壓器來(lái)提供經(jīng)濟(jì)高效，節(jié)省空間的隔離。 i 耦合器技術(shù)引入“ 耦合器數(shù)字隔離器保護(hù)工業(yè)中的RS-232，RS-485和CAN總線，儀器和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序 “（模擬對(duì)話 39 - 10，2005年10月）。

圖1顯示了一個(gè)4通道數(shù)字隔離器，它在一個(gè)封裝中容納三個(gè)骰子。兩個(gè)CMOS接口電路（左側(cè)和右側(cè)）集成了驅(qū)動(dòng)器和接收電子設(shè)備。中間管芯包含四個(gè)芯片級(jí)微變壓器，每個(gè)微變壓器在20-μm聚酰亞胺絕緣層的兩側(cè)包括金屬（AlCu和Au）線圈。聚酰亞胺能夠承受超過(guò)5 kV的rms一分鐘。

不幸的是，在大多數(shù)需要隔離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用中，隔離柵的兩側(cè)必須有隔離電源，或者它必須單獨(dú)提供。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常通過(guò)使用分立元件設(shè)計(jì)隔離電源（包括具有適當(dāng)隔離額定值的變壓器）或購(gòu)買(mǎi)商用現(xiàn)成的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)引入隔離電源。

每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。首先，可以根據(jù)應(yīng)用定制隔離電源，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)應(yīng)用要求優(yōu)化其成本，隔離額定值，功率輸出或其他重要規(guī)格。然而，缺點(diǎn)是定制解決方案往往體積龐大，需要安全認(rèn)證，并且可能會(huì)延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。

另一方面，商用隔離電源可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，但是它們會(huì)帶來(lái)價(jià)格損失，并且可能無(wú)法針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。雖然尺寸比定制尺寸小，但它們?nèi)匀幌喈?dāng)笨重，只有有限的表面貼裝封裝選項(xiàng)。

第三種方式是 iso Power，它結(jié)合了兩種選擇的好處。 i 耦合器數(shù)字隔離器在變壓器上調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，如文章“使用微型片上變壓器的高速數(shù)字隔離器。” iso Power使用相同的芯片級(jí)微變壓器技術(shù)，但不是僅傳輸數(shù)據(jù)， iso Power使用開(kāi)關(guān)，整流器和穩(wěn)壓器來(lái)產(chǎn)生與數(shù)據(jù)通道隔離程度相同的功率。

圖2顯示了ADuM5240，ADuM5241和ADuM5242的隔離電源部分，這是第一個(gè)具有 iso 電源的 i 耦合器產(chǎn)品。四個(gè)交叉耦合的CMOS開(kāi)關(guān)產(chǎn)生交流波形，驅(qū)動(dòng)變壓器。在隔離側(cè)，肖特基二極管整流交流信號(hào)。整流后的信號(hào)傳遞給線性穩(wěn)壓器，線性穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在標(biāo)稱(chēng)的5 V設(shè)定值。放棄其中一個(gè)隔離通道可以顯著提高效率，以便通過(guò)隔離柵向變壓器開(kāi)關(guān)提供反饋。

圖3描述了ADuM524x系列中使用的變壓器。芯片級(jí)微變壓器由6微米厚的金制成，由20微米的聚酰亞胺絕緣層隔開(kāi)，能夠提供大于5千伏的均方根隔離。由于變壓器線圈直徑僅為600μm，與傳統(tǒng)變壓器相比具有較低的L / R比，因此高效發(fā)電需要300 MHz的高頻開(kāi)關(guān)。

< p>如前所述，用于發(fā)電的變壓器采用與隔離數(shù)據(jù)相同的過(guò)程。數(shù)據(jù)和電源通道之間唯一明顯的區(qū)別是隔離柵兩側(cè)的調(diào)理電路。

iso 電源示例

組合數(shù)據(jù)和電源ADuM524x系列采用單個(gè)小型可表面貼裝封裝，可顯著節(jié)省尺寸并節(jié)省成本。圖4顯示了隔離SPI接口的典型物理配置。 i 耦合器 - 和 - iso 電源解決方案（圖4a）使用ADuM5240和ADuM1201提供4通道隔離數(shù)據(jù)和高達(dá)50 mW的隔離電源，足夠?yàn)?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/adc/" target="_blank">ADC和遠(yuǎn)程傳感器供電。它比使用三個(gè)光耦合器和隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)方法更緊湊，更便宜（圖4b）。使用分立變壓器和其他組件的第三種解決方案將消耗更多的區(qū)域。 ADuM524x iso 電源和ADuM120x i 耦合器產(chǎn)品的其他組合也是可能的，ADuM524x和大多數(shù)其他 i 耦合器產(chǎn)品的組合也是可能的。

isoPower解決方案的小尺寸和低成本為隔離傳感器的放置和分配開(kāi)辟了新的可能性，并降低了現(xiàn)有解決方案的成本，從而可以更廣泛地采用隔離傳感器。

<一個(gè)典型的例子是濁度傳感器：它們測(cè)量液體溶液中的顆粒量，可用于確定一定體積水的清潔度。它們?cè)絹?lái)越多地用于家用電器，例如洗碗機(jī)和洗衣機(jī)，以節(jié)約水和改善清潔性能。傳統(tǒng)設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沖洗或沖洗，高估所需的清潔水平，以確保在循環(huán)結(jié)束時(shí)負(fù)載完全清潔。然而，濁度傳感器可以讓系統(tǒng)知道何時(shí)停止清潔。該機(jī)器將使用最佳水量達(dá)到最佳時(shí)間，從而最大限度地減少浪費(fèi)，同時(shí)最大限度地提高有用的清潔性能。

由于濁度傳感器必須浸入水中，因此它們給設(shè)備設(shè)計(jì)師帶來(lái)了兩個(gè)挑戰(zhàn)。首先，傳感器必須足夠小，以便在要放置衣服或餐具的空間內(nèi)的任何地方不顯眼地安裝。因此，傳感器的尺寸至關(guān)重要。其次，動(dòng)力電路浸沒(méi)在水中，因此傳感器必須與系統(tǒng)的其他部分安全隔離。如果物理絕緣失效，則不得損壞用戶和系統(tǒng)電子設(shè)備，并且不得有火災(zāi)。因此，必須隔離電源和數(shù)據(jù)。

圖5所示的框圖演示了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。 AD7823低功耗ADC使用3線接口轉(zhuǎn)換濁度傳感器的模擬輸出。數(shù)字化濁度數(shù)據(jù)通過(guò)ADuM1200和ADuM5242的電流隔離柵傳輸。 ADuM5242的50 mW隔離電源足以為ADuM1200，AD7823和濁度傳感器供電。隔離器和轉(zhuǎn)換器的組合面積小于100 mm 2 ，不包括外部元件。

雙向隔離

孤立地，術(shù)語(yǔ)雙向傳統(tǒng)上是指在一個(gè)封裝中具有單獨(dú)的發(fā)送和接收通道的隔離器 - 隔離器作為一個(gè)整體能夠進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，但各個(gè)渠道是單向的。這種方法與RS-232，RS-485和SPI等通信協(xié)議兼容，但它與真正的雙向通信協(xié)議不兼容，例如I 2 C ?，SMBus和PMBus，支持通過(guò)單個(gè)通道進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。圖6中比較了雙向和單向隔離。

內(nèi)部集成電路（I 2 C）總線是一種流行的2線雙向通信協(xié)議開(kāi)發(fā)用于在板載控制器及其外圍設(shè)備之間提供簡(jiǎn)單，低成本，短距離的通信。 I 2 C總線限制了多個(gè)設(shè)備與主控制器共享一條總線的應(yīng)用程序的成本，如圖7所示。兩條雙向線 - 一條用于數(shù)據(jù)，一條用于時(shí)鐘 - 過(guò)去以犧牲數(shù)據(jù)速率為代價(jià)實(shí)現(xiàn)低成本，因此I 2 C通常用于具有許多外設(shè)以低于1 Mbps的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的系統(tǒng)中。使用以較高數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的有限數(shù)量外設(shè)的系統(tǒng)通常會(huì)采用SPI等協(xié)議。

I 2 C隔離挑戰(zhàn)是光耦合器基于只能在一個(gè)方向上傳輸?shù)亩O管，因此本質(zhì)上是單向的?？梢允褂霉怦詈掀鞲綦x雙向I 2 C總線，但實(shí)現(xiàn)并不漂亮（圖8a）。特殊緩沖區(qū)用于將每個(gè)雙向通道分成兩個(gè)不同的通道：傳輸和接收。一旦分離，四個(gè)單向通道可以單獨(dú)隔離然后重新組合。該解決方案需要四個(gè)隔離器，并將總線從兩根導(dǎo)線擴(kuò)展到四根導(dǎo)線。還需要額外的電路，使這種解決方案成本高昂，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)2線總線實(shí)現(xiàn)的最初目的：節(jié)省資金和空間。

好消息是通過(guò)采用在新的數(shù)字隔離技術(shù)中，用于分離，隔離和重組數(shù)據(jù)通道的電路可以集成到單個(gè)封裝中。這種方法可以使用新型ADuM1250和ADuM1251熱插拔雙I 2 C隔離器實(shí)現(xiàn)。圖8b說(shuō)明了 i 耦合器解決方案的緊湊程度。

圖9顯示了如何在封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向隔離。正如分立式解決方案采用緩沖器將兩個(gè)雙向通道分成四個(gè)單向通道和四個(gè)隔離器一樣，ADuM125x也是如此。不同之處在于所有電子元件都集成在一個(gè)IC上。設(shè)計(jì)人員只看到2線接口，整個(gè)器件小于40 mm 2 ，與光耦合器/緩沖器解決方案相比減少了90％，光耦合器/緩沖器解決方案占用了約350 mm 2

未來(lái)隔離解決方案

正如這些例子所示，數(shù)字隔離繼續(xù)為具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問(wèn)題提供簡(jiǎn)化和新穎的解決方案。這是通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)鑄造工藝以低成本實(shí)現(xiàn)的，這些工藝能夠集成傳統(tǒng)隔離解決方案中通常不具備的功能。在不久的將來(lái)，我們可以期待看到進(jìn)一步的進(jìn)步， iso Power被集成到越來(lái)越多的隔離應(yīng)用中;我們還可以期待看到其他新的解決方案來(lái)隔離比I 2 C更復(fù)雜的總線。