超低功耗開(kāi)放高速隔離應(yīng)用

長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)師一直認(rèn)為隔離是一種必要的負(fù)擔(dān)。這是必要的，因?yàn)樗谷魏稳硕伎梢园踩厥褂?a target="_blank">電子產(chǎn)品。這是一種負(fù)擔(dān)，因?yàn)樗拗屏?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信速度并消耗了大量的功率和電路板空間。舊技術(shù)的光耦合器甚至許多較新的數(shù)字隔離器消耗如此多的功率，以至于某些類(lèi)型的應(yīng)用并不實(shí)用。在本文中，我們將研究超低功耗隔離的最新發(fā)展，它與可用技術(shù)的關(guān)系，以及它是如何實(shí)現(xiàn)的。我們還將探索可以從這種新型設(shè)備中受益的幾種應(yīng)用。

大約45年前，現(xiàn)代光耦合器的問(wèn)世是設(shè)計(jì)人員向前邁出的一大步。它們?cè)试S在電源控制電路中進(jìn)行反饋，在通信中實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離以斷開(kāi)接地環(huán)路，以及與高端功率晶體管或電流監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)總線（如4至20mA電流環(huán)路以及DeviceNet和PROFIBUS）的發(fā)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(lái)的20年里，隔離技術(shù)的變化在很大程度上是漸進(jìn)的，直到2000年，第一個(gè)新的芯片級(jí)數(shù)字隔離器被引入。這些新器件基于通過(guò)芯片級(jí)變壓器、GMR 材料以及后來(lái)的差分電容耦合進(jìn)行的電感耦合。與舊的光耦合器相比，新技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的速度和更低的功率水平，但標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)到位，由于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字隔離器使用標(biāo)準(zhǔn)封裝和IC工藝來(lái)構(gòu)建其編碼和解碼電子器件，使添加數(shù)字功能變得簡(jiǎn)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(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。將隔離提高到更高速度或更低功耗的創(chuàng)新將允許支持最苛刻的新接口標(biāo)準(zhǔn)。目前，數(shù)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(gè)數(shù)量級(jí)才能進(jìn)入新的應(yīng)用領(lǐng)域。到目前為止，高性能隔離一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

比較技術(shù)

隔離設(shè)備性能的驅(qū)動(dòng)因素是數(shù)據(jù)編碼方案和用于傳輸數(shù)據(jù)的介質(zhì)效率的組合。在本次討論中，我們將重點(diǎn)關(guān)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(tǒng)和電平編碼系統(tǒng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基于電平的系統(tǒng)必須不斷推動(dòng)能量穿過(guò)隔離柵以保持顯性輸出狀態(tài)，同時(shí)不發(fā)送任何能量穿過(guò)隔離柵來(lái)表示隱性輸出狀態(tài)。

在光耦合器中，光介導(dǎo)能量傳輸，與直接產(chǎn)生電場(chǎng)或磁場(chǎng)相比，光的效率較差，接收元件的檢測(cè)效率較差。因此，基于晶體管或PIN二極管的簡(jiǎn)單光耦合器必須消耗大量能量產(chǎn)生光以將輸出保持在導(dǎo)通狀態(tài)，但接收器消耗的能量很少才能接收信號(hào)。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(lèi)型的光耦合器的特征。高速數(shù)字光耦合器通過(guò)向接收器添加有源放大功能，減少了維持狀態(tài)所需的光量。這降低了LED所需的平均電流，但接收器的靜態(tài)電流相對(duì)較大，因此功耗并沒(méi)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(shù)的進(jìn)步長(zhǎng)期以來(lái)一直是漸進(jìn)式的。

在許多容性耦合數(shù)字隔離器中，該系統(tǒng)實(shí)際上類(lèi)似于光耦合器。這種類(lèi)型的器件使用高頻振蕩器通過(guò)一對(duì)差分電容器發(fā)送信號(hào)。振蕩器與光耦合器的LED非常相似，消耗功率發(fā)送有源狀態(tài)，關(guān)斷以發(fā)送隱性狀態(tài)。接收器具有有源放大器，在任一狀態(tài)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(yōu)于光耦合器選項(xiàng)。應(yīng)該注意的是，如果數(shù)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(shè)置最小功率電平，尤其是在低數(shù)據(jù)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(shù)字隔離器（如ADuM140x系列）使用。在該方案中，在輸入端檢測(cè)邊沿并將其編碼為脈沖。對(duì)于ADuM140x，一個(gè)脈沖代表下降沿，兩個(gè)脈沖代表上升沿。這些脈沖通過(guò)小型片上脈沖變壓器耦合到次級(jí)脈沖。接收器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并重建數(shù)據(jù)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(gè)脈沖的能量很低。這有一個(gè)非常好的特性，即當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)變化時(shí)，狀態(tài)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，該方案可以在電容甚至光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。?

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(diǎn)是，如果輸入端沒(méi)有邏輯變化，則不會(huì)向輸出發(fā)送任何數(shù)據(jù)。這意味著，如果由于啟動(dòng)順序而存在直流電平差，則輸入和輸出將不匹配。ADuM140x通過(guò)在輸入通道上實(shí)現(xiàn)刷新看門(mén)狗定時(shí)器來(lái)解決這種情況，如果超過(guò)1 μs未檢測(cè)到活動(dòng)，則重新發(fā)送直流狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果是，一旦數(shù)據(jù)速率低于1 Mbps，這種編碼方案就不再繼續(xù)降低功耗。該器件實(shí)際上始終運(yùn)行至少1 Mbps，因此低功耗不會(huì)繼續(xù)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(duì)高數(shù)據(jù)速率進(jìn)行了優(yōu)化，而不是絕對(duì)最低功耗。這種編碼方案在進(jìn)一步降低功耗方面具有相當(dāng)大的潛力，特別是在直流至1 Mbps頻率范圍內(nèi)。此數(shù)據(jù)范圍是大部分隔離應(yīng)用（尤其是需要低功耗的應(yīng)用）所在。基于4通道ADuM144x和2通道ADuM124x i耦合器技術(shù)的系列實(shí)現(xiàn)了以下創(chuàng)新。

該設(shè)計(jì)采用低壓CMOS工藝實(shí)現(xiàn)

對(duì)所有偏置電路進(jìn)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(shí)現(xiàn)盡可能低的功耗

電流消耗與頻率的函數(shù)關(guān)系如圖2所示，與ADuM140x的比較。啟用刷新后，ADuM1x的轉(zhuǎn)速為140 Mbps，ADuM17x的轉(zhuǎn)速為144 kbps，很容易看到刷新引起的拐點(diǎn)。ADuM144x在65 kbps時(shí)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(shí)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(tǒng)光耦合器和數(shù)字隔離器邊緣化或完全無(wú)法使用的三種應(yīng)用。

4 mA 至 20 mA 隔離式回路供電現(xiàn)場(chǎng)儀表

環(huán)路供電的現(xiàn)場(chǎng)儀表的功率預(yù)算非常有限，因?yàn)樗泄β识紒?lái)自4 mA環(huán)路電流。幸運(yùn)的是，環(huán)路通常提供足夠的電壓（通常為24 V），從系統(tǒng)中提取約100 mW。整個(gè)應(yīng)用將使用約12 V的環(huán)路電壓（4 mA）。在該預(yù)算范圍內(nèi)，一個(gè)簡(jiǎn)單的DC-DC轉(zhuǎn)換器為隔離式傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和控制器供電。即使假設(shè)DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率相當(dāng)高，電壓降壓為2：1，典型的傳感器前端在4.3 V時(shí)也能<3 mA。環(huán)路側(cè)的功率預(yù)算大致相同。主接口是發(fā)往ADC的SPI總線。隔離接口的每一側(cè)都由環(huán)路供電，以及控制器的所有ADC和信號(hào)調(diào)理元件。表2顯示了每種隔離技術(shù)的4線SPI總線的電流消耗。SPI 1是隔離的環(huán)路側(cè)電流，SPI 2是所需的傳感器側(cè)電流。光耦合器在隔離接口的每一側(cè)的功耗將是其數(shù)倍。電容式數(shù)字隔離器將消耗現(xiàn)場(chǎng)儀器的全部功率預(yù)算。ADuM1401是可能的，但即使僅支持ADC的單個(gè)SPI接口，系統(tǒng)其余部分的功率預(yù)算也很小。基于耦合器的新型超低功耗ADuM1441 i數(shù)字隔離器功耗極低，僅占功率預(yù)算的一小部分。該技術(shù)不僅允許應(yīng)用在其功率預(yù)算范圍內(nèi)工作，還允許添加第二個(gè)4通道隔離器以支持HART調(diào)制解調(diào)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(shù)實(shí)現(xiàn)了以前在隔離應(yīng)用中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新功能。

圖3.隔離式環(huán)路供電智能傳感器前端，支持HART調(diào)制解調(diào)器。?

以太網(wǎng)供電 I2C 通信總線

以太網(wǎng)供電 （POE） 等電信類(lèi)型應(yīng)用從提供以太網(wǎng)電源的相對(duì)較高的電壓軌獲取電源?？刂?a target="_blank">通信接口必須從隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器或通過(guò)穩(wěn)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(nèi)部的穩(wěn)壓器生成。表3顯示了運(yùn)行I2POE 控制器側(cè)的 C 總線接口以及 POE 控制器內(nèi)部的功耗以支持每種技術(shù)。光耦合器解決方案將在芯片內(nèi)耗散半瓦的熱量，而芯片可能已經(jīng)接近其熱極限。每個(gè)接口都比較好一些，直到我們進(jìn)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(fù)載。即使功率沒(méi)有在POE芯片內(nèi)部調(diào)節(jié)，這種功率也非常低，以至于可以使用簡(jiǎn)單的齊納二極管和電阻來(lái)提供合適的電源，從而節(jié)省組件成本和冷卻負(fù)載。該技術(shù)簡(jiǎn)化了電源架構(gòu)。

圖4.POE，帶隔離 I 的四端口控制器2C 和中斷。

電池供電設(shè)備

使用超低功耗的第三個(gè)例子是支持長(zhǎng)時(shí)間電池應(yīng)用。用于家庭健康監(jiān)測(cè)的血糖儀和脈搏血氧儀等醫(yī)療設(shè)備必須能夠同時(shí)與患者接觸并連接到非醫(yī)療級(jí)計(jì)算機(jī)。串行接口必須通電并準(zhǔn)備好在連接計(jì)算機(jī)時(shí)喚醒設(shè)備，因此有源隔離器應(yīng)成為待機(jī)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(gè)水平足夠低，即使是紐扣電池也可以保持該待機(jī)電流多年。

圖5.電池供電的醫(yī)療傳感器。

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

表4顯示了光耦合器的一些特性，以及在待機(jī)模式下工作時(shí)的各種數(shù)字隔離。請(qǐng)注意，如果選擇適當(dāng)?shù)目臻e狀態(tài)，PIN/晶體管隔離器的待機(jī)電流實(shí)際上可以低至基于i耦合器的超低功耗產(chǎn)品。光耦合器的這一特性已用于在許多應(yīng)用中產(chǎn)生低功耗待機(jī)。但是，一旦通信開(kāi)始，功耗就會(huì)躍升至相對(duì)較高的水平，而ADuM1441解決方案并非如此。

結(jié)論

ADI公司開(kāi)發(fā)了基于脈沖編碼i耦合器的數(shù)字隔離器的新版本，針對(duì)極低的功耗進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)該設(shè)備的修改并未損害設(shè)備的隔離能力，因?yàn)榻^緣與我們的高隔離增強(qiáng)絕緣設(shè)備中使用的絕緣相同。信號(hào)完整性類(lèi)似于過(guò)去 13 年來(lái)市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn) i耦合器。這些器件旨在提供直流至 1 Mbps 范圍內(nèi)的極低功耗運(yùn)行，隨著數(shù)據(jù)速率的降低，功耗也會(huì)降低。這代表了一種技術(shù)，由于工作功率大大降低，可以隔離以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的接口。

審核編輯：郭婷