對設計師來說
，大約45年nian前qian出chu現xian的de現xian代dai光guang耦ou合he器qi是shi一yi個ge巨ju大da的de進jin步bu。它ta們men允yun許xu在zai電dian源yuan控kong製zhi電dian路lu中zhong實shi現xian反fan饋kui，在zai通tong信xin電dian路lu中zhong實shi現xian信xin號hao隔ge離li以yi中zhong斷duan接jie地di環huan路lu，以yi及ji對dui高gao端duan功gong率lv晶jing體ti管guan或huo電dian流liu監jian控kong器qi進jin行xing通tong信xin。

 

20世紀70年代，光電器件大量湧現。這些器件影響了RS-232、RS-485等通信標準，以及4至20 mA電路環路和DeviceNet及PROFIBUS等工業總線的發展。受隔離器件本身限製的影響
，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
，隔離技術的發展變化基本上屬於量變，而到了2000年
，市場上出現了首批新型芯片級數字隔離器。這些新器件以感性耦合技術為基礎，采用芯片級變壓器、GMR材(cai)料(liao)以(yi)及(ji)後(hou)來(lai)的(de)差(cha)分(fen)容(rong)性(xing)耦(ou)合(he)技(ji)術(shu)。與(yu)較(jiao)老(lao)的(de)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)相(xiang)比(bi)
，這(zhe)些(xie)新(xin)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)超(chao)高(gao)的(de)速(su)率(lv)和(he)超(chao)低(di)的(de)功(gong)耗(hao)水(shui)平(ping)
，然(ran)而(er)，受(shou)當(dang)時(shi)實(shi)施(shi)的(de)標(biao)準(zhun)限(xian)製(zhi)，新(xin)器(qi)件(jian)的(de)許(xu)多(duo)功(gong)能(neng)(如高速率)並未得到充分利用，因為現行標準接口並不需要這些功能。

 

在數字隔離器采用標準封裝和IC工藝製造其編碼和解碼電子元件之後
，數字化功能的添加變得十分簡便。低功耗、對(dui)低(di)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)支(zhi)持(chi)以(yi)及(ji)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)成(cheng)為(wei)非(fei)光(guang)學(xue)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)主(zhu)要(yao)設(she)計(ji)優(you)勢(shi)。能(neng)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)隔(ge)離(li)速(su)率(lv)並(bing)且(qie)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)隔(ge)離(li)功(gong)耗(hao)的(de)新(xin)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)支(zhi)持(chi)要(yao)求(qiu)最(zui)為(wei)苛(ke)刻(ke)的(de)新(xin)接(jie)口(kou)標(biao)準(zhun)。目(mu)前(qian)，數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)功(gong)耗(hao)(遠遠低於光耦合器)需要低兩至三個數量級才能進入新的應用空間。到目前為止，高性能隔離還不能實現這一目標。

 

各種技術的比較

 

隔(ge)離(li)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)是(shi)數(shu)據(ju)編(bian)碼(ma)方(fang)案(an)與(yu)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)所(suo)用(yong)介(jie)質(zhi)的(de)效(xiao)率(lv)共(gong)同(tong)作(zuo)用(yong)的(de)結(jie)果(guo)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)
，我(wo)們(men)將(jiang)集(ji)中(zhong)討(tao)論(lun)決(jue)定(ding)功(gong)耗(hao)的(de)各(ge)個(ge)方(fang)麵(mian)。編(bian)碼(ma)和(he)解(jie)碼(ma)方(fang)案(an)可(ke)以(yi)大(da)致(zhi)分(fen)為(wei)基(ji)於(yu)邊(bian)沿(yan)編(bian)碼(ma)脈(mai)衝(chong)的(de)係(xi)統(tong)和(he)電(dian)平(ping)編(bian)碼(ma)係(xi)統(tong)。簡(jian)單(dan)而(er)言(yan)
，基(ji)於(yu)電(dian)平(ping)的(de)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)持(chi)續(xu)地(di)將(jiang)能(neng)量(liang)推(tui)過(guo)隔(ge)離(li)柵(zha)
，以(yi)保(bao)持(chi)一(yi)個(ge)主(zhu)動(dong)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)
，同(tong)時(shi)，通(tong)過(guo)不(bu)越(yue)過(guo)隔(ge)離(li)柵(zha)發(fa)送(song)能(neng)量(liang)來(lai)表(biao)示(shi)被(bei)動(dong)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)。

 

在zai光guang耦ou合he器qi中zhong
，光guang會hui對dui能neng量liang傳chuan輸shu進jin行xing調tiao解jie

，與yu直zhi接jie建jian立li電dian場chang或huo磁ci場chang相xiang比bi
，其qi效xiao率lv較jiao低di
，並bing且qie在zai接jie收shou元yuan件jian端duan，其qi檢jian測ce效xiao率lv較jiao差cha。因yin此ci，簡jian單dan的de晶jing體ti管guan或huo基ji於yuPIN二極管的光耦合器需要消耗大量電能來產生光，以使輸入保持開啟狀態，但接收器隻需消耗很少的電能即可接收信號。這一點可以在表1中看出
，其中列出了PIN二er極ji管guan接jie收shou器qi光guang耦ou合he器qi的de功gong耗hao。平ping均jun而er言yan，這zhe類lei光guang耦ou合he器qi具ju有you高gao輸shu入ru電dian流liu和he低di輸shu出chu電dian流liu的de特te點dian。較jiao高gao速su率lv的de數shu字zi光guang耦ou合he器qi通tong過guo在zai接jie收shou器qi中zhong增zeng加jia有you源yuan放fang大da模mo塊kuai的de方fang式shi，減jian少shao了le維wei持chi某mou種zhong狀zhuang態tai所suo需xu要yao的de光guang量liang。這zhe就jiu降jiang低di了leLED所需要的平均電流
，但接收器具有相對較大的靜態電流，因此
，其功耗並未真正降低——隻是推到了接收器端。降低所需功耗需要提高LED和接收器元件的效率，或者更改編碼方案。這就是光耦合器技術在如此長的時間中，隻取得了量變發展的原因所在。

 

zaixuduorongxingouheshuzigeliqizhong，xitongshijishangyuguangouheqixiangsi。zheleiqijiancaiyongyigegaopinzhendangqilaibaxinhaotongguoyiduichafendianrongchuandichuqu。gaizhendangqi，feichangxiangguangouheqizhongdeLED，需要消耗電能以發送主動狀態，並關閉以發送被動狀態。接收器配有有源放大器
，在兩種狀態下都要消耗偏置電流。如表1所suo示shi，由you於yu電dian容rong的de耦ou合he效xiao率lv較jiao高gao

，總zong功gong耗hao要yao顯xian著zhu好hao於yu光guang耦ou合he器qi選xuan項xiang。需xu要yao注zhu意yi的de是shi
，如ru果guo采cai用yong感gan性xing耦ou合he而er非fei容rong性xing耦ou合he技ji術shu，數shu字zi隔ge離li器qi的de功gong率lv水shui平ping大da致zhi與yu之zhi相xiang當dang。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，決jue定ding最zui低di功gong率lv水shui平ping的de主zhu要yao是shi編bian碼ma方fang案an，在zai低di數shu據ju速su率lv下xia尤you其qi如ru此ci。

 

ADI出品的iCoupler型數字隔離器(如ADuM140x係列)采用了另一種編碼方案
，如圖1所示。在該方案中，邊沿在輸入端檢測並編碼成脈衝。在ADuM140x中zhong
，一yi個ge脈mai衝chong代dai表biao一yi個ge下xia降jiang沿yan，兩liang個ge脈mai衝chong表biao示shi一yi個ge上shang升sheng沿yan。這zhe些xie脈mai衝chong通tong過guo小xiao型xing片pian內nei脈mai衝chong變bian壓ya器qi耦ou合he至zhi次ci級ji繞rao組zu。接jie收shou器qi對dui脈mai衝chong計ji數shu
，並bing重zhong構gou數shu據ju流liu。脈mai衝chong本ben身shen具ju有you出chu色se的de魯lu棒bang性xing，可ke以yi獲huo得de優you秀xiu的de信xin噪zao比bi，但dan其qi寬kuan度du隻zhi有you1ns，因(yin)此(ci)
，每(mei)個(ge)脈(mai)衝(chong)的(de)能(neng)量(liang)是(shi)很(hen)低(di)的(de)。結(jie)果(guo)產(chan)生(sheng)非(fei)常(chang)好(hao)的(de)屬(shu)性(xing)，即(ji)當(dang)沒(mei)有(you)數(shu)據(ju)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)
，輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)狀(zhuang)態(tai)會(hui)被(bei)鎖(suo)存(cun)保(bao)持(chi)，幾(ji)乎(hu)不(bu)消(xiao)耗(hao)電(dian)能(neng)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)，功(gong)耗(hao)就(jiu)是(shi)脈(mai)衝(chong)流(liu)中(zhong)傳(chuan)輸(shu)的(de)集(ji)成(cheng)電(dian)能(neng)加(jia)上(shang)一(yi)定(ding)的(de)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)。隨(sui)著(zhe)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)的(de)下(xia)降(jiang)，功(gong)耗(hao)呈(cheng)線(xian)性(xing)下(xia)降(jiang)
，直(zhi)到(dao)直(zhi)流(liu)為(wei)止(zhi)。同(tong)樣(yang)
，導(dao)致(zhi)功(gong)耗(hao)減(jian)少(shao)的(de)是(shi)編(bian)碼(ma)方(fang)案(an)而(er)不(bu)是(shi)特(te)定(ding)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)介(jie)質(zhi)，該(gai)方(fang)案(an)可(ke)以(yi)在(zai)容(rong)性(xing)，甚(shen)至(zhi)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)中(zhong)實(shi)現(xian)。

 

圖1.基於脈衝的編碼方案

 

脈mai衝chong編bian碼ma方fang案an並bing非fei低di功gong耗hao的de靈ling丹dan妙miao藥yao。其qi缺que點dian是shi，如ru果guo輸shu入ru端duan無wu邏luo輯ji變bian化hua，則ze不bu會hui將jiang數shu據ju發fa到dao輸shu出chu端duan。這zhe意yi味wei著zhe
，如ru果guo存cun在zai因yin啟qi動dong序xu列lie導dao致zhi的de直zhi流liu電dian平ping差cha，則ze輸shu入ru端duan和he輸shu出chu端duan將jiang不bu匹pi配pei。ADuM140x解決了這個問題，其方法是在輸入通道上實現一個刷新看門狗計時器，如果在超過1μs的時間內未檢測到活動
，則會重新發送直流狀態。這種設計的結果是，當數據速率低於1 Mbps時，該編碼方案不再繼續減少功耗。器件基本上始終運行在至少1 Mbps的速率下，因此，在低數據速率下，功耗不會繼續下降。即便如此
，與表1所示電平敏感型方案相比，脈衝編碼方案的平均功耗較低。

 

表1.隔離器每通道功耗比較(V_DD= 3.3 V，100 kbps)

  

進一步降低功耗

 

ADuM140x脈衝編碼方案最初是針對高數據速率而非絕對最低功耗而優化的。該編碼方案在降低功耗方麵潛力巨大，尤其是在直流至1 Mbps頻率範圍內。這一數據範圍正是多數隔離應用所使用的範圍
，尤其是要求低功耗的隔離應用。基於4通道ADuM144x和2通道ADuM124x iCoupler技術的係列器件采用了以下創新技術。

 

1.設計采用較低電壓CMOS工藝實現

2.全部偏置電流均經過評估，並盡可能將偏置降至最低或完全消除

3.將刷新電流的頻率從1 MHz減至17 kHz

4.刷新電路可以完全禁用

，以實現最低功耗

 

功耗為頻率的函數
，如圖2所示(相較於ADuM140x)。對於ADuM140x
，刷新導致的曲線“膝部”在1 Mbps時清楚可見
，對於ADuM144x
，當啟用刷新時
，則在17 kbps下清晰可見。ADuM144x的典型每通道功耗
，在1 kbps下要低65倍，而在完全禁用刷新功能時，則大約低1000倍。

 

圖2. ADuM144x和ADuM140x器件在VDDX = 3.3 V條件下的每通道總功耗

 

為什麼功耗下降這麼多很有用？在以下三種應用中
，傳統光耦合器和數字隔離器要麼勉強合格，要麼完全不可用。

 

4 mA至20 mA隔離環路供電現場儀表

 

圖3.搭載HART調製解調器支持的隔離式
、環路供電型智能傳感器前端

 

環路供電型現場儀表的功耗預算十分有限，因為全部電能均來自4 mA環路電流。幸運的是，環路通常可以提供足夠的電壓
，一般為24 V
，可以從係統獲得大約100 mW的功率。整個應用將消耗大約12 V環路電壓(4 mA)。在該預算範圍內
，簡單的DC-DC轉換器為隔離式傳感器、模數轉換器(ADC)和控製器供電。即便假定DC-DC轉換器具有較高的效率，且電壓降壓比例為2:1，則典型傳感器前端可提供的功率小於4 mA(3.3 V)。環路端的功耗預算大致相同。主要接口是連接ADC的SPI總線。隔離接口的每一端均由環路供電
，還有控製器的全部ADC以及信號調理元件都是由環路供電。表2所示為每種隔離技術下的一個4線SPI總線的功耗。SPI 1為隔離的環路端電流，SPI 2為(wei)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)端(duan)電(dian)流(liu)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)在(zai)隔(ge)離(li)接(jie)口(kou)的(de)每(mei)一(yi)端(duan)都(dou)將(jiang)消(xiao)耗(hao)多(duo)倍(bei)於(yu)功(gong)耗(hao)預(yu)算(suan)的(de)電(dian)能(neng)。容(rong)性(xing)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)將(jiang)消(xiao)耗(hao)現(xian)場(chang)儀(yi)表(biao)的(de)全(quan)部(bu)功(gong)耗(hao)預(yu)算(suan)。ADuM1401代表著一種可能性
，但係統其餘部分的功耗預算十分勉強，即便隻支持連接ADC的單個SPI接口。采用iCoupler技術的超低功耗數字隔離器ADuM1441的功耗非常低
，僅占功耗預算的很小一部分。該技術不但允許應用在其功耗預算範圍內正常工作
，同時允許添加第二個4通道隔離器，以支持HART調製解調器接口和智能前端控製器
，如圖中虛線部分所示。功耗超低的iCoupler技術可以實現以前的隔離應用不可能實現的新功能。

 

表2.一個100 kbps隔離式SPI接口的每一端的總功耗

  

以太網供電I²C通信總線

 

圖4.搭載隔離式I2C和中斷的POE
、4端口控製器

 

諸如以太網供電(POE)一類的電信類應用從相對較高的電壓軌獲得電能，該電壓軌提供以太網電能。控製通信接口必須從隔離式DC-DC轉換器或者通過–54 V總線電壓穩壓器獲得電能。在圖4所示示例中，3.3 V的I2C控製總線通信接口由POE控製器內置的穩壓器產生。圖3所示為在POE控製器端運行I2C總線接口所需要的電流，以及POE控kong製zhi器qi為wei支zhi持chi每mei種zhong技ji術shu所suo消xiao耗hao的de功gong耗hao。光guang耦ou合he器qi解jie決jue方fang案an會hui在zai芯xin片pian中zhong產chan生sheng半ban瓦wa特te的de熱re量liang，該gai芯xin片pian很hen可ke能neng已yi經jing接jie近jin其qi熱re極ji限xian。在zai表biao中zhong，從cong上shang往wang下xia，每mei個ge接jie口kou均jun略lve好hao於yu前qian一yi個ge
，最zui後hou我wo們men看kan到dao超chao低di功gong耗hao的deADuM1441，其功耗約為1 mW。如此一來，該接口的熱負載在這種芯片中顯得微不足道。即使電源未在POE芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)調(tiao)節(jie)
，該(gai)功(gong)耗(hao)也(ye)非(fei)常(chang)低(di)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)齊(qi)納(na)二(er)極(ji)管(guan)和(he)電(dian)阻(zu)，從(cong)而(er)使(shi)節(jie)能(neng)元(yuan)件(jian)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)冷(leng)卻(que)負(fu)載(zai)達(da)到(dao)合(he)理(li)水(shui)平(ping)。該(gai)技(ji)術(shu)簡(jian)化(hua)了(le)電(dian)源(yuan)架(jia)構(gou)。

 

表3.各種隔離技術在POE應用中的總功耗

  

電池供電設備

 

圖5.電池供電醫療傳感器

 

超低功耗的第三個應用示例是為持續時間較長的電池供電應用提供支持。麵向家庭健康監護的醫療器械(如血糖儀、脈搏血氧儀)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)特(te)殊(shu)結(jie)構(gou)，以(yi)在(zai)接(jie)觸(chu)病(bing)人(ren)的(de)同(tong)時(shi)
，還(hai)能(neng)連(lian)接(jie)非(fei)醫(yi)療(liao)極(ji)計(ji)算(suan)機(ji)。必(bi)須(xu)為(wei)串(chuan)行(xing)接(jie)口(kou)供(gong)電(dian)，並(bing)在(zai)連(lian)接(jie)計(ji)算(suan)機(ji)時(shi)，能(neng)喚(huan)醒(xing)設(she)備(bei)，因(yin)此(ci)，待(dai)機(ji)電(dian)路(lu)中(zhong)應(ying)采(cai)用(yong)有(you)源(yuan)隔(ge)離(li)器(qi)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，利(li)用(yong)ADuM1441的刷新禁用功能可以使器件的電池能耗降至4μA以下。這一功耗水平非常低，即使一枚紐扣電池，也可以使待機電流維持數年時間。

 

ADuM1441的超低功耗同時支持為隔離模塊麵向計算機的一端方便供電。隻需要幾μA電流即可實現接口操作
，因此，可以將串行接口中的一條狀態線專門用於為隔離器供電，這樣就不需要使用專門的電源了。

 

表4展示的是光耦合器的部分屬性
，以及工作於待機模式下的各種數字隔離。請注意，如果選擇了正確的空閑狀態
，則PIN/晶體管隔離器的待機電流實際上可能像基於超低功耗iCoupler的產品一樣低。人們利用光耦合器的這種特性來在許多應用中實現低功耗待機。然而，一旦開始通信，功耗就會上升至較高水平，ADuM1441解決方案就不會這樣。

 

表4.隔離器的總低速和空閑功耗

 

結論

 

ADI已經為脈衝編碼型iCouplershuzigeliqikaifachuyikuanxinbanben
，gaibanbenzhenduijidigonghaoerjinxingleyouhua。duigaiqijianzuochudegaidongbingweiyingxiangqijiandegeligongneng，yinweisuoyongjueyuanjishuyugaofenbianlvzengqiangjueyuanqijianzhongwanquanxiangtong。xinhaowanzhengxingleisiyushichangshangguoqu13年以來出現的標準iCoupler。根據設計
，這些器件

 

在直流至1 Mbpsfanweineikeyizhichichaodigonghaogongzuo，shujusulvyuedi，gonghaoyuedi。zhezhongjishuyingongzuogonghaoyaodideduo
，yinci
，keyishixianyiqianbukenengshixiandejiekougelixingneng。

 

 

推薦閱讀：