數(shù)字隔離與傳統(tǒng)隔離解決方案的技術抉策實例分析

不恰當?shù)母綦x電路設計導致設備損壞，甚至人員觸電事故的事例并不少見，為此業(yè)界提出了很多安全隔離設計性能要求以及系列強制認證標準，設計中必須采用恰當?shù)母綦x措施。除了安全上的考慮，采用隔離措施還有助于降低接地環(huán)路噪聲。

然而，隔離措施不可避免地會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。尤其是多年來，實現(xiàn)安全隔離的手段通常唯一合理的選擇就是光耦合器。隨著近幾年數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔粩嗵嵘?，系統(tǒng)功耗、成本、尺寸日益敏感，以及對性能提出越來越苛刻的要求，傳統(tǒng)的光耦合器也暴露出諸多缺點——電路體積大，集成度不高，而且光耦合器件本身具有易損耗、速度較慢(一般的數(shù)據(jù)速率低于1Mbps)、耗電量大等缺點。特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩(wěn)定，為其應用帶來很多局限，在工業(yè)、醫(yī)療等對功能特性要求較高的應用中這些問題尤其突出。

數(shù)字隔離超越光耦全面滿足隔離之需

隔離器的主要結構大致有四種: 一是傳統(tǒng)光電耦合；二是集成式變壓器(磁耦合)；三是集成式電容耦合；四是分立式變壓器耦合。為了克服光電隔離技術的諸多缺點，許多半導體公司開始研發(fā)非光電耦合的隔離器解決方案。ADI公司是最早一家推出新型數(shù)字隔離器解決方案的公司，并于2001年率先推出基于其專利iCouple磁耦隔離技術的標準數(shù)字隔離產(chǎn)品。

圖1：iCoupler芯片級變壓器結構圖

iCoupler技術是基于芯片尺寸的變壓器，每個iCoupler通道都由CMOS接口電路和芯片級變壓器組成。iCoupler器件的關鍵就是這個能夠穿越隔離絕緣體，發(fā)射并接收信號的平面變壓器，在提供隔離功能同時還消除了光耦合器中光電轉換包括功耗過大、較大時序誤差和數(shù)據(jù)速率低等問題。獨特的結構使iCoupler數(shù)字隔離器實現(xiàn)了領先光電耦合器件的諸多性能優(yōu)勢：靜態(tài)/動態(tài)電流更小，功耗僅為光電耦合器的1／10～1／50；可實現(xiàn)數(shù)千伏(5000V) 的隔離，其高耐壓的關鍵在于發(fā)送和接收變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達20μm的聚酰亞胺材料作為隔離層；傳輸速度更快，遠高于傳統(tǒng)光耦，高達150Mbps；壽命更長，在耐高壓和耐擊穿的使用范圍內(nèi)壽命甚至可達50年；可以集成標準CMOS工藝下的其他功能；可以在芯片內(nèi)部實現(xiàn)隔離電源，并具有更小的體積和厚度。

圖2：光耦合器與iCoupler數(shù)字隔離器的性能對比

這些產(chǎn)品可廣泛應用于幾乎所有的應用，包括醫(yī)療設備、儀器儀表、網(wǎng)絡設備、電池充電系統(tǒng)、工業(yè)過程控制、新能源、照明與樓宇控制、汽車系統(tǒng)、工業(yè)現(xiàn)場總線，等等。目前，全球已有超過8.5億個隔離通道采用了iCoupler技術。本文將分享三個典型應用案例，看iCoupler在這些系統(tǒng)設計中能帶來哪些不一樣的性能特性。

一、工業(yè)應用中的隔離方案選擇

工業(yè)應用的獨特環(huán)境對隔離技術有不同于其他系統(tǒng)設計的要求，這些要求包括更寬的環(huán)境溫度，更高的可靠性和更高的性能。此外，成本、集成度、功耗等特性也是很多設計必須兼顧考慮的因素。

電磁流量計是典型工業(yè)應用產(chǎn)品之一。電磁流量計因其無壓力損耗，且不受粘度、流體密度、溫度、壓力或電導率的影響，受到紙漿、泥漿、污水等高精度測量應用市場的歡迎。然而，由于系統(tǒng)電源、中央邏輯單元、通信和I/O之間需要1 kV至2.5 kV不等的隔離，要求能夠連接不同的現(xiàn)場總線，必須進行恰當?shù)母綦x。

過去的電磁流量計多采用光耦器件實現(xiàn)系統(tǒng)中的電氣隔離要求。但是，由于電磁流量計內(nèi)部的空間有限，系統(tǒng)密度很高，因而對器件尺寸很敏感。而對于便攜式電磁流量計來說，除了尺寸敏感外，器件功耗也是極為關鍵的考慮要素。近年來，越來越多的電磁流量計廠商在隔離電路中舍棄了光耦器件，轉而采用更具整體性能優(yōu)勢的iCoupler隔離技術。電磁流量計產(chǎn)品國內(nèi)領先廠商Chengbo就是其中之一，該公司在其早期的產(chǎn)品設計中，采用了光耦器件，基于成本、性能、尺寸和集成復雜度方面的綜合權衡，在新的設計中他們采用了四通道的iCoupler數(shù)字隔離技術來實現(xiàn)隔離，有效地將PCB占位面積降低60%，僅需90mm×80mm的PCB面積。除此之外，新的設計中，僅隔離電路部分就實現(xiàn)了90%功耗節(jié)省。

圖3:某知名企業(yè)的四通道光耦合器件(左圖)與ADI四通道iCoupler（右圖）的封裝尺寸對比。

廣泛的產(chǎn)品系列為此類應用提供了更具針對性的選擇。業(yè)界具有大量應用的ADI公司電磁流量計參考設計中就采用了1kV四通道數(shù)字隔離器ADuM7441實現(xiàn)基本的電氣隔離。與大部分四通道隔離器采用16引腳SOIC寬體封裝不同，該器件采用小型16引腳QSOP封裝，相比之下可節(jié)省幾乎70%的電路板空間，卻仍能耐受高隔離電壓，并且符合UL和CSA標準（正在申請中）等法規(guī)要求。此外，ADuM7441功耗極低，在高達25Mbps的數(shù)據(jù)速率下，其功耗僅為同類隔離器的十分之一至六分之一。如果設計需要2.5kV的隔離等級，還可以選擇雙通道數(shù)字隔離器ADuM320x或四通道數(shù)字隔離器ADuM140x，此兩個系列的數(shù)字隔離器同樣基于ADI公司iCoupler技術，同樣具有卓越的低功耗特性，非常適合電池供電的電磁流量計的設計。

電力計量中，iCoupler數(shù)字隔離技術同樣形成了對傳統(tǒng)光電耦合器的替代趨勢。兼容直流的電流互感器一直用于檢測智能電表中的交流電流，但它有一些缺點，而且很昂貴。對于某些應用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因為它價格低廉、具有高線性度并且抗磁場干擾。然而，分流電阻不具有電流互感器所固有的電氣隔離特性。在要求隔離的智能電表中，采用隔離電源技術的數(shù)字隔離器與分流電阻結合可提供一種良好的解決方案。iCoupler數(shù)字隔離器由于性能優(yōu)于傳統(tǒng)的光耦合器，并且支持多種串行通信(SPI、I2C或UART)，獲得電力計量企業(yè)的大量采用。ADI在2012年更專為三相電能計量應用而推出了集成ADI公司的iCoupler和isoPower專利技術的一款3通道、Σ道、型ADC術的一款能計量應用，通過額定5kV的隔離勢壘實現(xiàn)隔離信號傳輸和DC-DC電源轉換，從而可使用分流電阻傳感元件，而非電流互感器，大大降低成本而且不受磁場干擾和竊電篡改的影響。

二、醫(yī)療應用，iCoupler解決安全至關重要的隔離需求

IEC-60601-1、EN 6061-1-2和UL 6061-1等系列標準是關于醫(yī)療電子產(chǎn)品的基礎安全標準，對觸電危害防護要求有明確的規(guī)定，隔離技術的應用是滿足這些標準要求的關鍵。為滿足這些標準，安全通信解決方案領域全球領先企業(yè)Lantronix就在其新型EDS-MDn多端口醫(yī)療設備服務器的每一個端口都采用了iCoupler數(shù)字隔離技術實現(xiàn)其電流隔離。EDS-MD的電流隔離功能可為諸如此類連接設備提供最高等級的安全性，有助于確保將接地故障、功能故障等限制在單個端口，避免影響EDS-MD本身或者其他連接設備的完整性或可用性。

借助這些隔離器，Lantronix的設計工程師們得以增加隔離通道的總數(shù)，最終使數(shù)據(jù)速率和時序規(guī)格比基于光耦合器的設計提高了4倍。通過放棄體積較大的光耦合器和其他額外的外部元件，Lantronix的設計師們還降低了系統(tǒng)尺寸、提高系統(tǒng)集成度，同時降低了整體設計的復雜性和成本。與競爭產(chǎn)品相比，EDS-MD元件數(shù)的減少使電路板總空間降低了40%，進而有助于護理點節(jié)省寶貴的床邊空間。iCoupler數(shù)字隔離器的功耗比光耦合器最多低90%，為Lantronix的EDS-MD設計工程師帶來了更大的設計靈活性，使其可以輕松實現(xiàn)功耗目標。

圖4：Lantronix新型EDS-MDn多端口醫(yī)療設備服務器。

類似的應用還有很多——中國最大的醫(yī)療器械制造商之一的北京超思電子在其全功能病人監(jiān)護儀MMED6000DP系列產(chǎn)品中，同樣舍棄一直沿用的光耦器件而采用了iCoupler數(shù)字隔離產(chǎn)品。iCoupler和isoPower技術組合為MMED6000DP提供了最佳的隔離平臺，使該監(jiān)護儀在滿足5kV的隔離等級條件下，性能、集成度、成本和尺寸多個方面實現(xiàn)對光耦隔離方案的全面超越。

三、高集成度、小尺寸優(yōu)勢滿足高密度航空應用

衛(wèi)星的電源系統(tǒng)至關重要，任何故障都有可能給航天器造成嚴重損壞，使其無法完成任務。西門子航空航天業(yè)務集團PowerSCOE項目就是這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)每個通道都包含輔助模擬輸入及數(shù)字和模擬輸出，因此最大的挑戰(zhàn)是要確保100個通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數(shù)字I/O，面對如此高的PCB密度，傳統(tǒng)的光耦合器和DC/DC轉換器解決方案已無能為力。

該系統(tǒng)最終采用了ADI公司高度集成的iCoupler數(shù)字隔離技術。集成隔離式isoPower DC/DC轉換器的數(shù)字隔離器基于iCoupler技術，在5.0 V電壓（5.0 V輸入電源）或3.3 V電壓（3.3 V或5.0 V輸入電源）下，隔離器集成的DC/DC轉換器可提供最高500mW的隔離穩(wěn)壓電源。iCoupler芯片級變壓器技術提供隔離電源并用于隔離四通道的邏輯信號，低功耗隔離設計中無需使用分立的隔離式DC/DC轉換器。因此，與光耦合器和分立解決方案相比，這種解決方案所用的器件更少，尺寸更小，成本效益更高。

利用高度集成的數(shù)字隔離器，西門子航空航天業(yè)務集團的設計工程師得以提高一個控制模塊所容納的隔離數(shù)據(jù)端口數(shù)量，而無需加大模塊尺寸，即使每個端口都需要自己的隔離電源。PowerSCOE保護板具有170個iCoupler器件。如果使用其它解決方案，如光耦合器和分立式隔離式DC/DC轉換器，控制模塊將遠大于目前的尺寸380 mm x 470 mm。

本文總結：

利用iCoupler數(shù)字隔離器，設計工程師可以擺脫傳統(tǒng)設計中采用光耦合器所帶來的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性方面的制約，在設計中實現(xiàn)出色的隔離性能。ADI提供了豐富的iCoupler數(shù)字隔離產(chǎn)品系列，這些產(chǎn)品包括：從單通道到6通道的標準隔離器；集成隔離電源的數(shù)字隔離器——isoPower；USB隔離器；隔離MOSFET驅動器；集成隔離技術的開關穩(wěn)壓電源；I2C總線數(shù)字隔離器；CAN總線隔離收發(fā)器；RS485隔離收發(fā)器；RS232隔離收發(fā)器；Σ-Δ隔離調(diào)制器。這些器件可以全面滿足各種系統(tǒng)隔離之需。

選擇恰當?shù)母綦x技術，還需要了解應用中的隔離強度需求，需要確定以下問題：實際應用中的工作電壓；設備所處電網(wǎng)條件(220V民用電網(wǎng)/工業(yè)用電網(wǎng))；實際的應用環(huán)境(海拔高度/濕度條件/溫度條件/污染條件)；應用中采取的隔離保護級別；保護對象類型(功能性隔離/基本安全隔離/增強型安全隔離)；該應用應該符合哪個具體國際安全規(guī)范；等等。此外，您還應該了解自己對隔離器工作速度和接口的要求：在該應用中的最高速率是多少？一個封裝中需要多少個通道？在該應用中的時序要求（例如信號延遲的要求），以及是否需要集成其他功能(I2C/USB/RS-485/集成隔離電源)。無論有怎樣的需求，基于iCoupler技術的ADI數(shù)百款數(shù)字隔離器幾乎完全能滿足應用所需。