采用isoPower技術的iCoupler產(chǎn)品：利用微型變壓器隔離信號和電源

引言

出于安全和數(shù)據(jù)完整性考慮，通常需要在電路元件之間進行隔離。例如，隔離可以保護系統(tǒng)端敏感的電路元件和人界面免受現(xiàn)場端存在的危險電壓的損害，現(xiàn)場端駐留比較魯棒性的元件，例如傳感器和執(zhí)行機構。隔離還可以消除影響數(shù)據(jù)采集精度的共模噪聲和接地環(huán)路問題干擾。雖然可以采用傳統(tǒng)的光耦合器或ADI公司的iCoupler隔離器完成通過隔離阻障的數(shù)據(jù)傳送，但是主要的挑戰(zhàn)和共同難題是找到一種將電源從非隔離的系統(tǒng)端傳送到被隔離的現(xiàn)場端的方法。本文討論了通過采用ADI公司最新的iCoupler產(chǎn)品——集成的電源隔離和數(shù)據(jù)信號隔離新方法解決這個難題的技術背景。

迄今為止，經(jīng)過隔離阻障傳送電源一般需要兩種方法，一種方法是分立的DC/DC變換器，其尺寸相當大、成本高而且隔離度不夠；另一種方法是定制的分立方法，它不僅體積大而且難于設計和連接。這兩種方法已是唯一可行的替代方法，即使是在只需要低隔離電源(例如數(shù)據(jù)采集模塊)的應用場合。

ADI公司最近推出了一種完整而且完全集成的隔離解決方案——采用微型變壓器經(jīng)過隔離阻障傳送信號和電源，解決了上述問題。我們將iCoupler技術的擴展稱為isoPower技術，是又一種創(chuàng)新的解決方案。在一顆單芯片內(nèi)提供信號和電源隔離功能，無需體積大、成本高、難設計的隔離電源，并且提供了高達5 kV足夠的隔離度。它可以顯著降低隔離系統(tǒng)的總成本、印制電路板(PCB)面積和設計時間。一種采用isoPower技術的雙通道iCoupler器件如圖1所示，其面積縮小90%，成本降低70%。

圖1 傳統(tǒng)方法與isoPower方法的成本和尺寸比較

采用isoPowe r技術的iCoupler隔離器件

集成的DC/DC變換器包括采用的變壓器開關、整流二極管和最重要的變壓器。通過采用達300 MHz的高開關頻率減小變壓器尺寸以便能夠?qū)⑵浔M可能整合在一個完整的隔離解決方案中。這與磁芯變壓器中采用的方法正好相反，在磁芯變壓器中磁芯的滲透率在高頻的時候開始降低，從而導致明顯的磁芯損耗，降低效率。此外，磁芯還可能會折衷變壓器的額定隔離電壓。然而，無磁芯的iCoupler變壓器可以在更高的頻率下工作而且實現(xiàn)起來要簡單得多。

圖2  iCoupler變壓器線圈的截面圖 

iCoupler器件中所采用的微型變壓器構造在CMOS襯底的上方。圖2示出了隔離變壓器結構的截面圖，圖3示出了一張帶有電源和信號變壓器的管芯照片。通過為初級和次級線圈鍍了一層6mm厚的鍍金，將變壓器串聯(lián)電阻值減到了最小。初級和次級端之間的20mm厚的聚酰亞胺層提供耐壓高達5 kV的高壓(HV)隔離。底部線圈下面增加一層5mm厚的聚酰亞胺有助于減小襯底電容和襯底損耗。利用可提供的IC下面的金屬層精心設計帶圖案的接地屏蔽層可以進一步降低襯底損耗。對于具有大的磁耦合系數(shù)的層疊式變壓器來說，鄰近效應和渦流是不需要太多考慮的問題。線圈的設計可以通過優(yōu)化線圈參數(shù)來完成，例如線圈的匝數(shù)、印制線寬度和印制線間距。頂部線圈在300 MHz高頻時的品質(zhì)因數(shù)(Q)可能高達20，底部線圈可高達15。微型變壓器結構的高Q值使得高效的電源傳送成為可能。

圖3  變壓器管芯照片示出了電源變壓器線圈和兩個數(shù)據(jù)變壓器線圈

數(shù)字信號的傳送是通過發(fā)送大約1 ns寬的短脈沖到變壓器另一端來實現(xiàn)的，兩個連續(xù)的短脈沖表示一個上升沿，單個短脈沖表示下降沿。圖4示出了信號傳送的框圖。次級端有一不可重復觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測到單個脈沖，輸出就置為低電平。采用一個輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒有檢測到信號邊緣，發(fā)送刷新脈沖信號送給變壓器來保證直流的正確性。如果輸入為高電平，就產(chǎn)生兩個連續(xù)的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產(chǎn)生單個短脈沖刷新。為了補充驅(qū)動器端的刷新電路，在接收器端采用了一個監(jiān)視定時器來保證在沒有檢測到刷新脈沖時輸出處于一種故障安全狀態(tài)。

圖4  數(shù)字信號傳送框圖 

采用類似的微型變壓器傳送電源。因為它們L/R比很小，所以變壓器需要開關在很高的頻率才能防止電流飽和并達到高效率。圖5示出了采用交叉耦合配置和變壓器形成持續(xù)振蕩實現(xiàn)的四個補充CMOS開關的實例。優(yōu)化儲能元件的尺寸以便使能量傳遞效率最高。采用集成的肖特基二極管用作整流器件。對于300 MHz整流信號，這些二極管的導通和恢復速度足夠快。需要選擇二極管使它們在整流期間工作在肖特基區(qū)域。次級端的線性穩(wěn)壓器用于保證當輸出負載或輸入電源變化時保持穩(wěn)定的輸出電壓。對許多低功耗應用來說，效率是次要關心的問題。為了提高效率并保證能量的調(diào)節(jié)，可以增加一個可選的反饋信號變壓器。反饋信號可以導通或關斷LC儲能元件，而不直接控制變壓器開關。這種方法從根本上將能量調(diào)節(jié)與能量轉(zhuǎn)換分開，從而支持高效的電源傳送并保證穩(wěn)定的電壓。

圖5 電源傳送框圖

關于開關變壓器一個普遍關心的問題就是電磁干擾問題，尤其是對于開關速率為300 MHz的變壓器。采用遠場的近似值，

P = 160p6I2S(rn/l)4 ; n = 1,2,...,N

其中P =總輻射功率，I=線圈環(huán)路電流

300 MHz的波長l約為1 m，半徑在0.5 mm范圍內(nèi)的變壓器還是一個具有小r/l的極弱的天線。據(jù)估計，即使器件工作在300 MHz，環(huán)路電流為350mA的情況下，總的輻射功率仍然不到500pW。近場輻射隨著與變壓器距離的增大而迅速降低。片內(nèi)變壓器之間只有在距離很小時才會出現(xiàn)緊耦合，在我們的例子中是20mm。

應用實例：次級控制電源ADuM5242

隨著新型電源向低電源電壓、快速動態(tài)響應和電源與負載之間有更多系統(tǒng)交互的方向發(fā)展，次級控制體系結構得到了發(fā)展。采用次級控制取代初級控制有兩個主要困難。第一個困難是需要高性能的數(shù)字隔離取代模擬隔離。通常采用一種低成本的模擬光耦合器在初級端控制將模擬反饋誤差信號從系統(tǒng)的次級端發(fā)送到初級端，同時可能需要一個高成本或大體積的數(shù)字耦合器為采用次級控制的系統(tǒng)發(fā)送PWM信號經(jīng)過隔離阻障。

第二個困難是系統(tǒng)啟動之前在次級控制器端對電源的需要。初級控制器就沒有這樣的問題，因為在初級端總有可提供的電源。解決次級控制啟動問題主要有兩種方法。一種方法就是增加一個輔助電源專用于次級控制器的啟動。另一種方法就是在初級端有一個專用的啟動器件以便為了啟動次級端控制器在次級端建立初始偏置電壓。

ADI公司的ADuM5242雙通道的數(shù)字隔離器，具有50 mW的隔離輸出功率，是一種解決啟動問題的理想解決方案。這種8引腳SOIC封裝的器件提供兩個信號隔離通道，支持高達10 Mbps的PWM信號，還有一個用于次級控制器啟動的5 V，10 mA隔離電源。一旦系統(tǒng)啟動后，用戶可以選擇禁止這個電源。這種禁止功能是通過監(jiān)視輸入電源電壓實現(xiàn)的。當輸入電源電壓降至4 V以下時，圖5中所示的反饋控制開關就會斷開。圖6是在次級控制系統(tǒng)中采用ADuM5242的應用實例框圖。兩個數(shù)字信號通道提供具有同步整流的次級控制器的反饋信號，以便驅(qū)動初級端的半橋式驅(qū)動器。

圖6  采用基于isoPower技術的 ADuM5242的次級控制系統(tǒng)應用實例

與ADuM5242一起還推出兩種其它的數(shù)據(jù)通道配置。ADuM5240有兩個隔離的輸出通道，而ADuM5241有一個隔離的輸出通道和一個隔離的輸入通道。這就為支持各種不同應用提供了靈活性。ADuM524x產(chǎn)品還可以與其它的多通道iCoupler器件配合使用以便配置更多的隔離信號通道。

結語

采用isoPower技術的 iCoupler解決方案在單芯片中提供了一種完整的隔離解決方案。它不僅提供從功耗、尺寸和性能方面都真正超過光耦合器的先進的數(shù)字信號隔離方法，而且它還無需分立的隔離電源。iCoupler技術提供了無與倫比的功能集成的可能性，可以顯著地降低復雜程度、尺寸以及隔離系統(tǒng)的總成本。