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作者: Mark Cantrell 在設(shè)計(jì)師眼中，隔離是一個必不可少的負(fù)擔(dān)。說隔離必不可少，是因?yàn)樗梢源_保電子設(shè)備的安全性，使任何人均可使用。說隔離是個負(fù)擔(dān)，是因?yàn)樗鼤拗仆ㄐ潘俣龋瑫拇罅侩娔�，并占�?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/電路" target="_blank" class="relatedlink">電路板空間�；谂f技術(shù)的光耦合器，甚至許多較新的數(shù)字隔離器能耗巨大，結(jié)果使某些類型的應(yīng)用失去了實(shí)用價值。在本文中，我們將考察超低功耗隔離技術(shù)的最新發(fā)展，及其與現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)系和實(shí)現(xiàn)方式。我們還將探討可從這類新器件中受益的幾種應(yīng)用。 對設(shè)計(jì)師來說，大約45年前現(xiàn)代光耦合器的出現(xiàn)是一次巨大的飛躍。有了它們，可在電源控制電路中實(shí)現(xiàn)反饋，在通信電路中實(shí)現(xiàn)信號隔離以斷開接地環(huán)路，并可實(shí)現(xiàn)對高端功率晶體管或電流監(jiān)控器的通信。20世紀(jì)70年代，光電器件大量涌現(xiàn)。這些器件影響了通信標(biāo)準(zhǔn)(如RS232、RS485)和工業(yè)總線(如4~20mA電流環(huán)路、DeviceNet和Profibus)的發(fā)展進(jìn)程。 受隔離器件本身限制的影響，光隔離的功能決定了這些通信總線的諸多特性。在接下來的20年中，隔離技術(shù)的發(fā)展變化基本上屬于量變，而到了2000年，市場上出現(xiàn)了首批新型芯片級數(shù)字隔離器。這些新器件先后采用感性耦合技術(shù)、芯片級變壓器、GMR材料以及后來的差分容性耦合技術(shù)。 這些新技術(shù)可以支持比老式光耦合器高得多的速率和低得多的功耗水平，但在既定標(biāo)準(zhǔn)一統(tǒng)天下的情況下，新器件的許多功能(如高速率)并未得到充分利用，因?yàn)楝F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)接口并沒有此項(xiàng)要求。 數(shù)字隔離 數(shù)字隔離器中的編碼和解碼電子元件采用標(biāo)準(zhǔn)封裝和IC工藝制成，這使得數(shù)字功能的添加變得簡單易行。低功耗、低電源電壓支持以及高集成度已經(jīng)成為非光學(xué)耦合器的主要設(shè)計(jì)優(yōu)勢。使隔離獲得更高速率、更低功耗的創(chuàng)新將支持要求最為苛刻的新接口標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，數(shù)字隔離器的功耗雖然顯著低于光耦合器，但需要低2至3個數(shù)量級才能進(jìn)入新的應(yīng)用領(lǐng)域。到目前為止，高性能隔離還不能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 各種技術(shù)的比較 隔離器件性能的提升是數(shù)據(jù)編碼方案與數(shù)據(jù)傳輸媒介效率共同作用的結(jié)果。在本文中，我們將重點(diǎn)討論決定功耗的各個方面。編碼和解碼方案大致可以分成基于邊沿編碼脈沖的系統(tǒng)和電平編碼系統(tǒng)兩種。最簡單的電平系統(tǒng)必須把能量持續(xù)地推送通過隔離柵，以保持高電平輸出狀態(tài)，而在不向隔離柵發(fā)送能量時則代表低電平輸出狀態(tài)。 在光耦合器中，能量傳輸由光促成，與直接形成電場或磁場相比，其效率較差，而且接收元件端的檢測效率也差強(qiáng)人意。因此，基于簡單晶體管或PIN二極管的光耦合器需消耗大量能量來產(chǎn)生光，以使輸出保持開啟狀態(tài)，但接收器接收信號只需消耗很少的能量。這種情況如表1所示，其中展示了PIN二極管接收器光耦合器的功耗。平均而言，高輸入電流和低輸出電流是這類光耦合器的特點(diǎn)。 表1：隔離器的每通道功耗對比(VDD = 3.3V，100kpbs) 
通過為接收器添加有源放大功能，速率較快的數(shù)字光耦合器減少了維持某種狀態(tài)所需光量。雖然這種方法減少了LED的平均電流需求，但接收器的靜態(tài)電流卻相對較大，因此，功耗并未真正降低，只是轉(zhuǎn)移到了接收器端。降低所需功耗就需要提高LED和接收器元件的效率，或者改變編碼方案。這也是光耦合器技術(shù)在如此長的時期內(nèi)未取得突破性進(jìn)展的原因。 容性耦合數(shù)字隔離器 在許多容性耦合數(shù)字隔離器中，系統(tǒng)實(shí)際上類似于光耦合器。這類器件用一個高頻振蕩器發(fā)送信號，使其通過一對差分電容。就像光耦合器的LED一樣，該振蕩器需要消耗電能以發(fā)送高電平狀態(tài)，關(guān)閉以發(fā)送低電平狀態(tài)。接收器配有有源放大器，兩種狀態(tài)下均需消耗偏置電流。如表1所示，得益于電容的高耦合效率，總功耗顯著低于光耦合器方案。 需要注意的是，數(shù)字隔離器的功率水平大致相當(dāng)，不管是采用感性耦合還是容性耦合的方案。在這種情況下，決定最低功率水平的主要是編碼方案，尤其是在低數(shù)據(jù)速率條件下。 ADI公司基于iCoupler的數(shù)字隔離器(如ADuM140x系列)采用另一種編碼方案，如圖1所示。該方案在輸入端檢測邊沿，并將其編碼為脈沖。對于ADuM140x，一個脈沖表示下降沿，兩個脈沖表示上升沿。這些脈沖通過片內(nèi)小型的變壓器被耦合到副邊。接收器對脈沖計(jì)數(shù)，重構(gòu)數(shù)據(jù)流。脈沖本身非常魯棒，信噪比出色，但其寬度只有1ns，因此，單位脈沖能量較低。這樣造就了一個卓越的屬性：無數(shù)據(jù)變化時，狀態(tài)在輸出端保存于一個鎖存器中，幾乎不消耗電量。這意味著，功耗就是脈沖流中的集成電能與一些偏置電流之和。隨著數(shù)據(jù)速率的降低，功耗呈線性下降，一直降至直流。同樣，實(shí)現(xiàn)功耗下降的是編碼方案而非特定的數(shù)據(jù)傳輸媒介，該方案既可采用容性系統(tǒng)也可采用光學(xué)系統(tǒng)。
圖1：數(shù)字隔離器的脈沖編碼方案圖示。 Detect data edges: 檢測數(shù)據(jù)邊沿 Encode as pulses: 編碼為脈沖 Transfer through transformer: 通過變壓器耦合 Decode pulses: 解碼脈沖 Reconstruct data: 重構(gòu)數(shù)據(jù) Rising edge: 上升沿 Falling edge: 下降沿 CMOS top metal: CMOS頂層金屬 Insulation: 隔離 脈沖編碼方案并非低功耗的靈丹妙藥。其不足在于，如果輸入端無邏輯變化，則不會向輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)。這意味著，如果在上電時序造成輸入輸出存在不同的直流電平，則輸入和輸出將不會匹配。ADuM140x解決了這個問題，其方法是在輸入通道上設(shè)置一個刷新看門狗定時器，如果未檢測到活動的時間超過1μs，該定時器將重新發(fā)送直流狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)帶來的結(jié)果是，當(dāng)數(shù)據(jù)速率低于1Mbps時，這種編碼方案將不會繼續(xù)降低功耗。實(shí)際上，該器件始終運(yùn)行于至少1Mbps的數(shù)據(jù)速率下，因此，在低數(shù)據(jù)速率情況下，功耗不會繼續(xù)下降。即便如此，與電平敏感方案相比，脈沖編碼方案的平均功耗較低，如表1所示。 挑戰(zhàn)低功耗的極限 ADuM140x脈沖編碼方案最初是針對高數(shù)據(jù)速率而優(yōu)化的，并非為了獲得絕對最低的功耗。該編碼方案在進(jìn)一步降低功耗方面有著巨大的潛力，尤其是在直流至1Mbps頻率范圍內(nèi)。該數(shù)據(jù)范圍正是大量隔離應(yīng)用所使用的范圍，尤其是具有低功耗要求的應(yīng)用。 基于iCoupler技術(shù)的四通道ADuM144x和雙通道ADuM124x系列運(yùn)用了下列創(chuàng)新。 1.設(shè)計(jì)以低電壓CMOS工藝實(shí)現(xiàn) 2.對所有偏置電路進(jìn)行評估，并盡可能減少或消除偏置。 3.刷新電路的頻率從1MHz降至17KHz 4.刷新電路可完全禁用，從而實(shí)現(xiàn)最低功耗 功耗為頻率的函數(shù)，如圖2所示，其參照對象為ADuM140x。在啟用刷新的情況下，對于ADuM140x，當(dāng)數(shù)據(jù)速率為1Mbps時，刷新導(dǎo)致的曲線拐點(diǎn)清晰可見，ADuM144x則在數(shù)據(jù)速率為17kbps時清晰可見。在1kbps時，ADuM144x每個通道的典型功耗要低65倍，而在完全禁用刷新時，則低1000倍左右。
圖2：ADuM144x和ADuM140x器件在VDDX=3.3V條件下的每通道總功耗。 Current per Channel (μA): 每通道電流/μA Data Rate (kbps): 數(shù)據(jù)速率/kbps Refresh disabled: 關(guān)閉刷新 Refresh enabled: 啟動刷新 功耗的大幅下降為何有用？在以下三種應(yīng)用中，傳統(tǒng)光耦合器和數(shù)字隔離器的作用有限或者完全不可用。 4mA至20mA隔離式環(huán)路供電型現(xiàn)場儀表 環(huán)路供電型現(xiàn)場儀表(見圖3)的功率預(yù)算非常有限，因?yàn)樗泄β示鶃碜?mA的環(huán)路電流。但幸運(yùn)的是，該環(huán)路通�？商峁┳銐虻碾妷�(典型值為24V)，能從系統(tǒng)中獲取大約100mW的功率。4mA時，整個應(yīng)用將使用大約12V的環(huán)路電壓。在這一預(yù)算范圍內(nèi)，一個簡單的DC/DC轉(zhuǎn)換器可為隔離式傳感器ADC和控制器供電。
圖3：環(huán)路供電型現(xiàn)場儀表。 Controller: 控制器 Isolation: 隔離 Signal conditioning: 信號調(diào)理 Loop+: 環(huán)路+ Loop-: 環(huán)路- 即使假定DC-DC轉(zhuǎn)換器具有較高的效率且電壓降壓比為2:1，在3.3V條件下，一個典型的傳感器前端可使用的電流不足4mA，環(huán)路端的功率預(yù)算與之大致相當(dāng)。主接口為連接ADC的SPI總線。隔離式接口的每一端，以及所有控制器ADC和信號調(diào)理元件均由環(huán)路供電。表2展示了一種4線SPI總線在每種隔離技術(shù)下的功耗情況。SPI 1為隔離的環(huán)路端電流，SPI 2為所需要的傳感器端電流。在隔離接口的每一端，光耦合器需要消耗的功率比功率預(yù)算高許多倍。 表2：100kbps隔離式SPI接口每側(cè)的總功耗
容性數(shù)字隔離器會消耗現(xiàn)場儀表的全部功率預(yù)算。一種可能性是選擇ADuM1401，但系統(tǒng)其余部分的功率預(yù)算很小，即使是僅支持連接ADC的單個SPI接口�；趇Coupler技術(shù)的新型超低功耗數(shù)字隔離器ADuM1441的功耗非常低，僅占功耗預(yù)算的很小一部分。該技術(shù)不僅允許應(yīng)用在其功率預(yù)算內(nèi)正常工作，同時還允許添加第二個四通道隔離器，以支持一個HART調(diào)制解調(diào)器接口和一個智能前端控制器，如圖中虛線部分所示。功耗超低的iCoupler技術(shù)可實(shí)現(xiàn)以前在隔離應(yīng)用中無法實(shí)現(xiàn)的新功能。 以太網(wǎng)供電I2C通信總線 以太網(wǎng)供電(POE)等電信類應(yīng)用從電壓相對較高的供電軌中獲得功率，該供電軌為以太網(wǎng)供電�？刂仆ㄐ沤涌诒仨殢母綦x式DC/DC轉(zhuǎn)換器獲取功率，或者通過一個調(diào)節(jié)器從-54V總線電壓取得功率。在圖4所示例子中，用于I2C控制總線的3.3V通信接口電壓由POE控制器內(nèi)置的一個調(diào)節(jié)器產(chǎn)生。表3所示為在POE控制器端運(yùn)行I2C總線接口所需要的電流，以及POE控制器為支持每種技術(shù)而消耗的功率。
圖4：以太網(wǎng)供電I2C通信總線。 Isolation: 隔離 Regulated Power: 調(diào)節(jié)后的電源 表3：POE應(yīng)用中隔離技術(shù)的總功耗
光耦合器解決方案會在芯片中產(chǎn)生半瓦特的熱量，而該芯片很可能已接近其熱極限。表中從上向下，每種接口的表現(xiàn)均略好于前一項(xiàng)，最后是功耗超低的ADuM1441，其功耗約為1mW。如此一來，該接口的熱負(fù)載在這種芯片中顯得微不足道。即使電源未在POE芯片內(nèi)部調(diào)節(jié)，該功耗也非常低，可以使用一個簡單的齊納二極管和電阻，從而使節(jié)能元件的成本和冷卻負(fù)載達(dá)到合理水平。該技術(shù)簡化了電源架構(gòu)。 電池供電式醫(yī)療傳感器 超低功耗的第三個用途是支持持續(xù)長時間的電池供電應(yīng)用。面向家庭健康監(jiān)護(hù)的醫(yī)療器械(如血糖儀、脈搏血氧儀)必須采用特殊結(jié)構(gòu)，以在接觸病人的同時，還能連接非醫(yī)療級的計(jì)算機(jī)(見圖5)。必須為串行接口供電，并能在連接計(jì)算機(jī)時喚醒設(shè)備，因此，待機(jī)電路中應(yīng)采用一個有源隔離器。在這種情況下，借助ADuM1441的刷新禁用特性，可使器件從電池吸取的電流低于4μA。對于如此低的功耗水平，即使是一枚紐扣電池也可使待機(jī)電流維持?jǐn)?shù)年時間。
圖5：電池供電式醫(yī)療傳感器解決方案。 Computer: 計(jì)算機(jī) 另外，得益于ADuM1441超低的功耗，還可方便地為隔離組件面向計(jì)算機(jī)的一端供電。由于接口運(yùn)行只需幾μA的電流，因此，可以在串行接口中專門用一條狀態(tài)線為隔離器供電，這樣，就不需要專用電源了。 表4展示了光耦合器以及各種數(shù)字隔離方案在待機(jī)模式下的部分屬性，。請注意，如果選擇了正確的空閑狀態(tài)，PIN/晶體管隔離器的待機(jī)電流實(shí)際上可以像基于iCoupler的超低功耗產(chǎn)品一樣低。許多應(yīng)用即利用了光耦合器的這一屬性來實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)功耗。然而，一旦開始通信，功耗即會躍升至相對較高的水平，ADum1441解決方案就不會這樣。 表4：隔離器的低速和空閑總功耗
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