簡介

對于隔離系統的設計人員而言，數字隔離技術的快速發展正在產生新功能，大大簡化了他們的工作。示例包括集成的隔離電源和真正的雙向隔離通道，可以降低系統成本并節省電路板空間。通過從基于LED的光耦合器轉向與標準代工CMOS工藝兼容的新型隔離器技術，推動了這些進步。它們使集成電路與芯片級微變壓器封裝在一起，從而將更多功能集成到單個封裝中。

本文討論了兩種體現這些進步的器件。在第一個例子中，隔離電源，芯片級微變壓器由開關，整流器和穩壓器補充，以產生隔離的，穩壓的DC-DC轉換器;當與隔離數據通道集成時，它提供了完整的隔離解決方案。在第二個示例中，雙向隔離，集成了必需的緩沖區和驅動程序，創建了一個隔離器，它具有真正的雙向隔離通道，無需外部信號調理。

隔離電源： iso 電源

電流隔離用于跨安全屏障傳輸數據和/或電源，同時還阻止電流或電流流過該屏障。 ADI公司 i 耦合器 ? 系列 <數字隔離器的em> 使用芯片級微變壓器來提供經濟高效，節省空間的隔離。 i 耦合器技術引入“ 耦合器數字隔離器保護工業中的RS-232，RS-485和CAN總線，儀器和計算機應用程序 “（模擬對話 39 - 10，2005年10月）。

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

不幸的是，在大多數需要隔離數據傳輸的應用中，隔離柵的兩側必須有隔離電源，或者它必須單獨提供。系統設計人員通常通過使用分立元件設計隔離電源（包括具有適當隔離額定值的變壓器）或購買商用現成的隔離式DC-DC轉換器來引入隔離電源。

每種方法都有其優點和缺點。首先，可以根據應用定制隔離電源，允許系統設計人員根據應用要求優化其成本，隔離額定值，功率輸出或其他重要規格。然而，缺點是定制解決方案往往體積龐大，需要安全認證，并且可能會延長開發時間。

另一方面，商用隔離電源可以縮短產品上市時間，但是它們會帶來價格損失，并且可能無法針對特定應用進行優化。雖然尺寸比定制尺寸小，但它們仍然相當笨重，只有有限的表面貼裝封裝選項。

第三種方式是 iso Power，它結合了兩種選擇的好處。 i 耦合器數字隔離器在變壓器上調節和驅動數據，如文章“使用微型片上變壓器的高速數字隔離器。” iso Power使用相同的芯片級微變壓器技術，但不是僅傳輸數據， iso Power使用開關，整流器和穩壓器來產生與數據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，這是第一個具有 iso 電源的 i 耦合器產品。四個交叉耦合的CMOS開關產生交流波形，驅動變壓器。在隔離側，肖特基二極管整流交流信號。整流后的信號傳遞給線性穩壓器，線性穩壓器將輸出電壓維持在標稱的5 V設定值。放棄其中一個隔離通道可以顯著提高效率，以便通過隔離柵向變壓器開關提供反饋。

圖3描述了ADuM524x系列中使用的變壓器。芯片級微變壓器由6微米厚的金制成，由20微米的聚酰亞胺絕緣層隔開，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，與傳統變壓器相比具有較低的L / R比，因此高效發電需要300 MHz的高頻開關。

< p>如前所述，用于發電的變壓器采用與隔離數據相同的過程。數據和電源通道之間唯一明顯的區別是隔離柵兩側的調理電路。

iso 電源示例

組合數據和電源ADuM524x系列采用單個小型可表面貼裝封裝，可顯著節省尺寸并節省成本。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通道隔離數據和高達50 mW的隔離電源，足夠為ADC和遠程傳感器供電。它比使用三個光耦合器和隔離式DC-DC轉換器的傳統方法更緊湊，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域。 ADuM524x iso 電源和ADuM120x i 耦合器產品的其他組合也是可能的，ADuM524x和大多數其他 i 耦合器產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辟了新的可能性，并降低了現有解決方案的成本，從而可以更廣泛地采用隔離傳感器。

<一個典型的例子是濁度傳感器：它們測量液體溶液中的顆粒量，可用于確定一定體積水的清潔度。它們越來越多地用于家用電器，例如洗碗機和洗衣機，以節約水和改善清潔性能。傳統設備在規定時間內沖洗或沖洗，高估所需的清潔水平，以確保在循環結束時負載完全清潔。然而，濁度傳感器可以讓系統知道何時停止清潔。該機器將使用最佳水量達到最佳時間，從而最大限度地減少浪費，同時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，因此它們給設備設計師帶來了兩個挑戰。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的任何地方不顯眼地安裝。因此，傳感器的尺寸至關重要。其次，動力電路浸沒在水中，因此傳感器必須與系統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電子設備，并且不得有火災。因此，必須隔離電源和數據。

圖5所示的框圖演示了一種經濟高效的解決方案。 AD7823低功耗ADC使用3線接口轉換濁度傳感器的模擬輸出。數字化濁度數據通過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，術語雙向傳統上是指在一個封裝中具有單獨的發送和接收通道的隔離器 - 隔離器作為一個整體能夠進行雙向數據傳輸，但各個渠道是單向的。這種方法與RS-232，RS-485和SPI等通信協議兼容，但它與真正的雙向通信協議不兼容，例如I 2 C ?，SMBus和PMBus，支持通過單個通道進行雙向數據傳輸。圖6中比較了雙向和單向隔離。

內部集成電路（I 2 C）總線是一種流行的2線雙向通信協議開發用于在板載控制器及其外圍設備之間提供簡單，低成本，短距離的通信。 I 2 C總線限制了多個設備與主控制器共享一條總線的應用程序的成本，如圖7所示。兩條雙向線 - 一條用于數據，一條用于時鐘 - 過去以犧牲數據速率為代價實現低成本，因此I 2 C通常用于具有許多外設以低于1 Mbps的數據速率運行的系統中。使用以較高數據速率運行的有限數量外設的系統通常會采用SPI等協議。

I 2 C隔離挑戰是光耦合器基于只能在一個方向上傳輸的二極管，因此本質上是單向的。可以使用光耦合器隔離雙向I 2 C總線，但實現并不漂亮（圖8a）。特殊緩沖區用于將每個雙向通道分成兩個不同的通道：傳輸和接收。一旦分離，四個單向通道可以單獨隔離然后重新組合。該解決方案需要四個隔離器，并將總線從兩根導線擴展到四根導線。還需要額外的電路，使這種解決方案成本高昂，并且無法實現2線總線實現的最初目的：節省資金和空間。

好消息是通過采用在新的數字隔離技術中，用于分離，隔離和重組數據通道的電路可以集成到單個封裝中。這種方法可以使用新型ADuM1250和ADuM1251熱插拔雙I 2 C隔離器實現。圖8b說明了 i 耦合器解決方案的緊湊程度。

圖9顯示了如何在封裝內實現雙向隔離。正如分立式解決方案采用緩沖器將兩個雙向通道分成四個單向通道和四個隔離器一樣，ADuM125x也是如此。不同之處在于所有電子元件都集成在一個IC上。設計人員只看到2線接口，整個器件小于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

未來隔離解決方案

正如這些例子所示，數字隔離繼續為具有挑戰性的設計問題提供簡化和新穎的解決方案。這是通過使用標準鑄造工藝以低成本實現的，這些工藝能夠集成傳統隔離解決方案中通常不具備的功能。在不久的將來，我們可以期待看到進一步的進步， iso Power被集成到越來越多的隔離應用中;我們還可以期待看到其他新的解決方案來隔離比I 2 C更復雜的總線。