長期以來，設計師一直認為隔離是一種必要的負擔。這是必要的，因為它使任何人都可以安全地使用電子產品。這是一種負擔，因為它限制了通信速度并消耗了大量的功率和電路板空間。舊技術的光耦合器甚至許多較新的數字隔離器消耗如此多的功率，以至于某些類型的應用并不實用。在本文中，我們將研究超低功耗隔離的最新發展，它與可用技術的關系，以及它是如何實現的。我們還將探索可以從這種新型設備中受益的幾種應用。

大約45年前，現代光耦合器的問世是設計人員向前邁出的一大步。它們允許在電源控制電路中進行反饋，在通信中實現信號隔離以斷開接地環路，以及與高端功率晶體管或電流監視器的通信。在1970年代，光電器件激增。這些影響了RS-232、RS-485等通信標準和工業總線（如4至20mA電流環路以及DeviceNet和PROFIBUS）的發展。由于隔離器件的限制，光隔離功能塑造了這些通信總線的許多特性。在接下來的20年里，隔離技術的變化在很大程度上是漸進的，直到2000年，第一個新的芯片級數字隔離器被引入。這些新器件基于通過芯片級變壓器、GMR 材料以及后來的差分電容耦合進行的電感耦合。與舊的光耦合器相比，新技術能夠實現更高的速度和更低的功率水平，但標準已經到位，由于現有的標準接口不需要，新器件的許多功能（如高速）尚未得到充分利用。?

數字隔離器使用標準封裝和IC工藝來構建其編碼和解碼電子器件，使添加數字功能變得簡單明了。低功耗、支持低電源電壓和高集成度已成為非光隔離器的主要設計優勢。將隔離提高到更高速度或更低功耗的創新將允許支持最苛刻的新接口標準。目前，數字隔離器的功耗雖然明顯低于光耦合器，但需要降低兩到三個數量級才能進入新的應用領域。到目前為止，高性能隔離一直無法實現這一目標。

比較技術

隔離設備性能的驅動因素是數據編碼方案和用于傳輸數據的介質效率的組合。在本次討論中，我們將重點關注決定功耗的方面。編解碼方案大致可分為基于脈沖的邊緣編碼系統和電平編碼系統。簡單來說，基于電平的系統必須不斷推動能量穿過隔離柵以保持顯性輸出狀態，同時不發送任何能量穿過隔離柵來表示隱性輸出狀態。

在光耦合器中，光介導能量傳輸，與直接產生電場或磁場相比，光的效率較差，接收元件的檢測效率較差。因此，基于晶體管或PIN二極管的簡單光耦合器必須消耗大量能量產生光以將輸出保持在導通狀態，但接收器消耗的能量很少才能接收信號。這可以從表1中看出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種類型的光耦合器的特征。高速數字光耦合器通過向接收器添加有源放大功能，減少了維持狀態所需的光量。這降低了LED所需的平均電流，但接收器的靜態電流相對較大，因此功耗并沒有真正降低 - 它已被推到接收器。降低所需功率需要提高LED和接收器元件的效率，或改變編碼方案。這就是為什么光耦合器技術的進步長期以來一直是漸進式的。

在許多容性耦合數字隔離器中，該系統實際上類似于光耦合器。這種類型的器件使用高頻振蕩器通過一對差分電容器發送信號。振蕩器與光耦合器的LED非常相似，消耗功率發送有源狀態，關斷以發送隱性狀態。接收器具有有源放大器，在任一狀態下消耗偏置電流。如表1所示，由于電容器的高耦合效率，總電流消耗明顯優于光耦合器選項。應該注意的是，如果數字隔離器使用電感耦合而不是電容，則其功率電平將大致相同。在這種情況下，主要是編碼方案設置最小功率電平，尤其是在低數據速率下。

圖1所示的第二種編碼方案由ADI公司基于i耦合器的數字隔離器（如ADuM140x系列）使用。在該方案中，在輸入端檢測邊沿并將其編碼為脈沖。對于ADuM140x，一個脈沖代表下降沿，兩個脈沖代表上升沿。這些脈沖通過小型片上脈沖變壓器耦合到次級脈沖。接收器對脈沖進行計數并重建數據流。脈沖本身具有魯棒性，可以獲得良好的信噪比，但寬度僅為1 ns，因此每個脈沖的能量很低。這有一個非常好的特性，即當沒有數據變化時，狀態保持在鎖存器的輸出端，幾乎不消耗任何功率。這意味著功耗只是脈沖流中傳遞的積分能量加上一些偏置電流。隨著數據速率的下降，功率線性下降，一直下降到直流。同樣，降低功耗的是編碼方案，而不是特定的數據傳輸介質，該方案可以在電容甚至光學系統中實現。?

圖1.基于脈沖的編碼。

脈沖編碼方案不是低功耗的靈丹妙藥。它的缺點是，如果輸入端沒有邏輯變化，則不會向輸出發送任何數據。這意味著，如果由于啟動順序而存在直流電平差，則輸入和輸出將不匹配。ADuM140x通過在輸入通道上實現刷新看門狗定時器來解決這種情況，如果超過1 μs未檢測到活動，則重新發送直流狀態。這種設計的結果是，一旦數據速率低于1 Mbps，這種編碼方案就不再繼續降低功耗。該器件實際上始終運行至少1 Mbps，因此低功耗不會繼續下降。即便如此，與電平敏感方案相比，脈沖編碼方案提供的平均功率較低，如表1所示。

突破低功耗封裝

ADuM140x脈沖編碼方案最初針對高數據速率進行了優化，而不是絕對最低功耗。這種編碼方案在進一步降低功耗方面具有相當大的潛力，特別是在直流至1 Mbps頻率范圍內。此數據范圍是大部分隔離應用（尤其是需要低功耗的應用）所在。基于4通道ADuM144x和2通道ADuM124x i耦合器技術的系列實現了以下創新。

該設計采用低壓CMOS工藝實現

對所有偏置電路進行了審查，并在可能的情況下將偏置最小化或消除

刷新電路的頻率從1 MHz降低到17 kHz

刷新電路可以完全禁用，以實現盡可能低的功耗

電流消耗與頻率的函數關系如圖2所示，與ADuM140x的比較。啟用刷新后，ADuM1x的轉速為140 Mbps，ADuM17x的轉速為144 kbps，很容易看到刷新引起的拐點。ADuM144x在65 kbps時每通道的典型功耗可降低1倍，如果完全禁用刷新，則功耗降低約1000倍。

圖2.VDDX = 144.140 V時ADuM3x和ADuM3x器件每通道的總電流消耗。

為什么這種功率的大幅降低有用？以下是傳統光耦合器和數字隔離器邊緣化或完全無法使用的三種應用。

4 mA 至 20 mA 隔離式回路供電現場儀表

環路供電的現場儀表的功率預算非常有限，因為所有功率都來自4 mA環路電流。幸運的是，環路通常提供足夠的電壓（通常為24 V），從系統中提取約100 mW。整個應用將使用約12 V的環路電壓（4 mA）。在該預算范圍內，一個簡單的DC-DC轉換器為隔離式傳感器、模數轉換器（ADC）和控制器供電。即使假設DC-DC轉換器的效率相當高，電壓降壓為2：1，典型的傳感器前端在4.3 V時也能<3 mA。環路側的功率預算大致相同。主接口是發往ADC的SPI總線。隔離接口的每一側都由環路供電，以及控制器的所有ADC和信號調理元件。表2顯示了每種隔離技術的4線SPI總線的電流消耗。SPI 1是隔離的環路側電流，SPI 2是所需的傳感器側電流。光耦合器在隔離接口的每一側的功耗將是其數倍。電容式數字隔離器將消耗現場儀器的全部功率預算。ADuM1401是可能的，但即使僅支持ADC的單個SPI接口，系統其余部分的功率預算也很小。基于耦合器的新型超低功耗ADuM1441 i數字隔離器功耗極低，僅占功率預算的一小部分。該技術不僅允許應用在其功率預算范圍內工作，還允許添加第二個4通道隔離器以支持HART調制解調器接口和智能前端控制器，如圖虛線所示。超低功耗i耦合器技術實現了以前在隔離應用中無法實現的新功能。

圖3.隔離式環路供電智能傳感器前端，支持HART調制解調器。?

以太網供電 I2C 通信總線

以太網供電 （POE） 等電信類型應用從提供以太網電源的相對較高的電壓軌獲取電源。控制通信接口必須從隔離式DC-DC轉換器或通過穩壓器從–54 V總線電壓獲取電源。在圖4的示例中，I的3.3 V通信接口2C 控制總線由 POE 控制器內部的穩壓器生成。表3顯示了運行I2POE 控制器側的 C 總線接口以及 POE 控制器內部的功耗以支持每種技術。光耦合器解決方案將在芯片內耗散半瓦的熱量，而芯片可能已經接近其熱極限。每個接口都比較好一些，直到我們進入超低功耗ADuM1441，其功耗約為1 mW。這使得該接口成為該芯片的微不足道的熱負載。即使功率沒有在POE芯片內部調節，這種功率也非常低，以至于可以使用簡單的齊納二極管和電阻來提供合適的電源，從而節省組件成本和冷卻負載。該技術簡化了電源架構。

圖4.POE，帶隔離 I 的四端口控制器2C 和中斷。

電池供電設備

使用超低功耗的第三個例子是支持長時間電池應用。用于家庭健康監測的血糖儀和脈搏血氧儀等醫療設備必須能夠同時與患者接觸并連接到非醫療級計算機。串行接口必須通電并準備好在連接計算機時喚醒設備，因此有源隔離器應成為待機電路的一部分。在這種情況下，使用ADuM1441的刷新禁用功能可使器件從電池消耗的電流小于4 μA。這個水平足夠低，即使是紐扣電池也可以保持該待機電流多年。

圖5.電池供電的醫療傳感器。

ADuM1441的超低功耗還允許為隔離的計算機面供電。只需幾μA電流即可操作該接口，串行接口中的狀態線專用于為隔離器供電，因此無需專用電源。

表4顯示了光耦合器的一些特性，以及在待機模式下工作時的各種數字隔離。請注意，如果選擇適當的空閑狀態，PIN/晶體管隔離器的待機電流實際上可以低至基于i耦合器的超低功耗產品。光耦合器的這一特性已用于在許多應用中產生低功耗待機。但是，一旦通信開始，功耗就會躍升至相對較高的水平，而ADuM1441解決方案并非如此。

結論

ADI公司開發了基于脈沖編碼i耦合器的數字隔離器的新版本，針對極低的功耗進行了優化。對該設備的修改并未損害設備的隔離能力，因為絕緣與我們的高隔離增強絕緣設備中使用的絕緣相同。信號完整性類似于過去 13 年來市場上的標準 i耦合器。這些器件旨在提供直流至 1 Mbps 范圍內的極低功耗運行，隨著數據速率的降低，功耗也會降低。這代表了一種技術，由于工作功率大大降低，可以隔離以前無法實現的接口。

審核編輯：郭婷