從典型案例看數(shù)字隔離與傳統(tǒng)隔離解決方案的技術(shù)抉策

不恰當(dāng)?shù)母綦x電路設(shè)計(jì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至人員觸電事故的事例并不少見(jiàn)，為此業(yè)界提出了很多安全隔離設(shè)計(jì)性能要求以及系列強(qiáng)制認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中必須采用恰當(dāng)?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(huì)帶來(lái)延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。尤其是多年來(lái)，實(shí)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到y(tǒng)功耗、成本、尺寸日益敏感，以及對(duì)性能提出越來(lái)越苛刻的要求，傳統(tǒng)的光耦合器也暴露出諸多缺點(diǎn)——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(diǎn)。特別是在溫度和老化變化過(guò)程中的性能極不穩(wěn)定，為其應(yīng)用帶來(lái)很多局限，在工業(yè)、醫(yī)療等對(duì)功能特性要求較高的應(yīng)用中這些問(wèn)題尤其突出。

數(shù)字隔離超越光耦全面滿(mǎn)足隔離之需

隔離器的主要結(jié)構(gòu)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(shù)的諸多缺點(diǎn)，許多半導(dǎo)體公司開(kāi)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(zhuān)利iCouple磁耦隔離技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離產(chǎn)品。

圖1：iCoupler芯片級(jí)變壓器結(jié)構(gòu)圖

iCoupler技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，每個(gè)iCoupler通道都由CMOS接口電路和芯片級(jí)變壓器組成。iCoupler器件的關(guān)鍵就是這個(gè)能夠穿越隔離絕緣體，發(fā)射并接收信號(hào)的平面變壓器，在提供隔離功能同時(shí)還消除了光耦合器中光電轉(zhuǎn)換包括功耗過(guò)大、較大時(shí)序誤差和數(shù)據(jù)速率低等問(wèn)題。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使iCoupler數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)先光電耦合器件的諸多性能優(yōu)勢(shì)：靜態(tài)/動(dòng)態(tài)電流更小，功耗僅為光電耦合器的1／10～1／50；可實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏(5000V) 的隔離，其高耐壓的關(guān)鍵在于發(fā)送和接收變壓器的頂層和底層線(xiàn)圈之間，采用厚達(dá)20μm的聚酰亞胺材料作為隔離層；傳輸速度更快，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光耦，高達(dá)150Mbps；壽命更長(zhǎng)，在耐高壓和耐擊穿的使用范圍內(nèi)壽命甚至可達(dá)50年；可以集成標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的其他功能；可以在芯片內(nèi)部實(shí)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(duì)比

這些產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于幾乎所有的應(yīng)用，包括醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電池充電系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制、新能源、照明與樓宇控制、汽車(chē)系統(tǒng)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，等等。目前，全球已有超過(guò)8.5億個(gè)隔離通道采用了iCoupler技術(shù)。本文將分享三個(gè)典型應(yīng)用案例，看iCoupler在這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)中能帶來(lái)哪些不一樣的性能特性。

一、工業(yè)應(yīng)用中的隔離方案選擇

工業(yè)應(yīng)用的獨(dú)特環(huán)境對(duì)隔離技術(shù)有不同于其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)必須兼顧考慮的因素。

電磁流量計(jì)是典型工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品之一。電磁流量計(jì)因其無(wú)壓力損耗，且不受粘度、流體密度、溫度、壓力或電導(dǎo)率的影響，受到紙漿、泥漿、污水等高精度測(cè)量應(yīng)用市場(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)，必須進(jìn)行恰當(dāng)?shù)母綦x。

過(guò)去的電磁流量計(jì)多采用光耦器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的電氣隔離要求。但是，由于電磁流量計(jì)內(nèi)部的空間有限，系統(tǒng)密度很高，因而對(duì)器件尺寸很敏感。而對(duì)于便攜式電磁流量計(jì)來(lái)說(shuō)，除了尺寸敏感外，器件功耗也是極為關(guān)鍵的考慮要素。近年來(lái)，越來(lái)越多的電磁流量計(jì)廠(chǎng)商在隔離電路中舍棄了光耦器件，轉(zhuǎn)而采用更具整體性能優(yōu)勢(shì)的iCoupler隔離技術(shù)。電磁流量計(jì)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)領(lǐng)先廠(chǎng)商Chengbo就是其中之一，該公司在其早期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用了光耦器件，基于成本、性能、尺寸和集成復(fù)雜度方面的綜合權(quán)衡，在新的設(shè)計(jì)中他們采用了四通道的iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)來(lái)實(shí)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(shè)計(jì)中，僅隔離電路部分就實(shí)現(xiàn)了90%功耗節(jié)省。