超低功耗感性數(shù)字隔離

在設(shè)計(jì)師眼中，隔離是一個(gè)必不可少的負(fù)擔(dān)。說(shuō)隔離必不可少，是因?yàn)樗梢源_保電子設(shè)備的安全性，使任何人均可使用。說(shuō)隔離是個(gè)負(fù)擔(dān)，是因?yàn)樗鼤?huì)限制通信速度，會(huì)消耗大量電能，并占用電路板空間?；谂f技術(shù)的光耦合器，甚至許多較新的數(shù)字隔離器能耗巨大，結(jié)果使某些類型的應(yīng)用失去了實(shí)用價(jià)值。在本文中，我們將考察超低功耗隔離技術(shù)的最新發(fā)展，及其與現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)系和實(shí)現(xiàn)方式。我們還將探討可從這類新器件中受益的幾種應(yīng)用。

對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，大約45年前現(xiàn)代光耦合器的出現(xiàn)是一次巨大的飛躍。有了它們，可在電源控制電路中實(shí)現(xiàn)反饋，在通信電路中實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離以斷開(kāi)接地環(huán)路，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)高端功率晶體管或電流監(jiān)控器的通信。20世紀(jì)70年代，光電器件大量涌現(xiàn)。這些器件影響了通信標(biāo)準(zhǔn)（如RS232、RS485）和工業(yè)總線（如4~20mA電流環(huán)路、DeviceNet和Profibus）的發(fā)展進(jìn)程。

受隔離器件本身限制的影響，光隔離的功能決定了這些通信總線的諸多特性。在接下來(lái)的20年中，隔離技術(shù)的發(fā)展變化基本上屬于量變，而到了2000年，市場(chǎng)上出現(xiàn)了首批新型芯片級(jí)數(shù)字隔離器。這些新器件先后采用感性耦合技術(shù)、芯片級(jí)變壓器、GMR材料以及后來(lái)的差分容性耦合技術(shù)。

這些新技術(shù)可以支持比老式光耦合器高得多的速率和低得多的功耗水平，但在既定標(biāo)準(zhǔn)一統(tǒng)天下的情況下，新器件的許多功能（如高速率）并未得到充分利用，因?yàn)楝F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)接口并沒(méi)有此項(xiàng)要求。

數(shù)字隔離

數(shù)字隔離器中的編碼和解碼電子元件采用標(biāo)準(zhǔn)封裝和IC工藝制成，這使得數(shù)字功能的添加變得簡(jiǎn)單易行。低功耗、低電源電壓支持以及高集成度已經(jīng)成為非光學(xué)耦合器的主要設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。使隔離獲得更高速率、更低功耗的創(chuàng)新將支持要求最為苛刻的新接口標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，數(shù)字隔離器的功耗雖然顯著低于光耦合器，但需要低2至3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，高性能隔離還不能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

各種技術(shù)的比較

隔離器件性能的提升是數(shù)據(jù)編碼方案與數(shù)據(jù)傳輸媒介效率共同作用的結(jié)果。在本文中，我們將重點(diǎn)討論決定功耗的各個(gè)方面。編碼和解碼方案大致可以分成基于邊沿編碼脈沖的系統(tǒng)和電平編碼系統(tǒng)兩種。最簡(jiǎn)單的電平系統(tǒng)必須把能量持續(xù)地推送通過(guò)隔離柵，以保持高電平輸出狀態(tài)，而在不向隔離柵發(fā)送能量時(shí)則代表低電平輸出狀態(tài)。

在光耦合器中，能量傳輸由光促成，與直接形成電場(chǎng)或磁場(chǎng)相比，其效率較差，而且接收元件端的檢測(cè)效率也差強(qiáng)人意。因此，基于簡(jiǎn)單晶體管或PIN二極管的光耦合器需消耗大量能量來(lái)產(chǎn)生光，以使輸出保持開(kāi)啟狀態(tài)，但接收器接收信號(hào)只需消耗很少的能量。這種情況如表1所示，其中展示了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類光耦合器的特點(diǎn)。

表1：隔離器的每通道功耗對(duì)比（VDD = 3.3V，100kpbs）

通過(guò)為接收器添加有源放大功能，速率較快的數(shù)字光耦合器減少了維持某種狀態(tài)所需光量。雖然這種方法減少了LED的平均電流需求，但接收器的靜態(tài)電流卻相對(duì)較大，因此，功耗并未真正降低，只是轉(zhuǎn)移到了接收器端。降低所需功耗就需要提高LED和接收器元件的效率，或者改變編碼方案。這也是光耦合器技術(shù)在如此長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)未取得突破性進(jìn)展的原因。

容性耦合數(shù)字隔離器

在許多容性耦合數(shù)字隔離器中，系統(tǒng)實(shí)際上類似于光耦合器。這類器件用一個(gè)高頻振蕩器發(fā)送信號(hào)，使其通過(guò)一對(duì)差分電容。就像光耦合器的LED一樣，該振蕩器需要消耗電能以發(fā)送高電平狀態(tài)，關(guān)閉以發(fā)送低電平狀態(tài)。接收器配有有源放大器，兩種狀態(tài)下均需消耗偏置電流。如表1所示，得益于電容的高耦合效率，總功耗顯著低于光耦合器方案。

需要注意的是，數(shù)字隔離器的功率水平大致相當(dāng)，不管是采用感性耦合還是容性耦合的方案。在這種情況下，決定最低功率水平的主要是編碼方案，尤其是在低數(shù)據(jù)速率條件下。

ADI公司基于iCoupler的數(shù)字隔離器（如ADuM140x系列）采用另一種編碼方案，如圖1所示。該方案在輸入端檢測(cè)邊沿，并將其編碼為脈沖。對(duì)于ADuM140x，一個(gè)脈沖表示下降沿，兩個(gè)脈沖表示上升沿。這些脈沖通過(guò)片內(nèi)小型的變壓器被耦合到副邊。接收器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，重構(gòu)數(shù)據(jù)流。脈沖本身非常魯棒，信噪比出色，但其寬度只有1ns，因此，單位脈沖能量較低。這樣造就了一個(gè)卓越的屬性：無(wú)數(shù)據(jù)變化時(shí)，狀態(tài)在輸出端保存于一個(gè)鎖存器中，幾乎不消耗電量。這意味著，功耗就是脈沖流中的集成電能與一些偏置電流之和。隨著數(shù)據(jù)速率的降低，功耗呈線性下降，一直降至直流。同樣，實(shí)現(xiàn)功耗下降的是編碼方案而非特定的數(shù)據(jù)傳輸媒介，該方案既可采用容性系統(tǒng)也可采用光學(xué)系統(tǒng)。

圖1：數(shù)字隔離器的脈沖編碼方案圖示。

Detect data edges： 檢測(cè)數(shù)據(jù)邊沿

Encode as pulses： 編碼為脈沖

Transfer through transformer： 通過(guò)變壓器耦合

Decode pulses： 解碼脈沖

Reconstruct data： 重構(gòu)數(shù)據(jù)

Rising edge： 上升沿

Falling edge： 下降沿

CMOS top metal： CMOS頂層金屬

Insulation： 隔離

脈沖編碼方案并非低功耗的靈丹妙藥。其不足在于，如果輸入端無(wú)邏輯變化，則不會(huì)向輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)。這意味著，如果在上電時(shí)序造成輸入輸出存在不同的直流電平，則輸入和輸出將不會(huì)匹配。ADuM140x解決了這個(gè)問(wèn)題，其方法是在輸入通道上設(shè)置一個(gè)刷新看門(mén)狗定時(shí)器，如果未檢測(cè)到活動(dòng)的時(shí)間超過(guò)1μs，該定時(shí)器將重新發(fā)送直流狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)帶來(lái)的結(jié)果是，當(dāng)數(shù)據(jù)速率低于1Mbps時(shí)，這種編碼方案將不會(huì)繼續(xù)降低功耗。實(shí)際上，該器件始終運(yùn)行于至少1Mbps的數(shù)據(jù)速率下，因此，在低數(shù)據(jù)速率情況下，功耗不會(huì)繼續(xù)下降。即便如此，與電平敏感方案相比，脈沖編碼方案的平均功耗較低，如表1所示。

挑戰(zhàn)低功耗的極限

ADuM140x脈沖編碼方案最初是針對(duì)高數(shù)據(jù)速率而優(yōu)化的，并非為了獲得絕對(duì)最低的功耗。該編碼方案在進(jìn)一步降低功耗方面有著巨大的潛力，尤其是在直流至1Mbps頻率范圍內(nèi)。該數(shù)據(jù)范圍正是大量隔離應(yīng)用所使用的范圍，尤其是具有低功耗要求的應(yīng)用。

基于iCoupler技術(shù)的四通道ADuM144x和雙通道ADuM124x系列運(yùn)用了下列創(chuàng)新。

1.設(shè)計(jì)以低電壓CMOS工藝實(shí)現(xiàn)

2.對(duì)所有偏置電路進(jìn)行評(píng)估，并盡可能減少或消除偏置。

3.刷新電路的頻率從1MHz降至17KHz

4.刷新電路可完全禁用，從而實(shí)現(xiàn)最低功耗

功耗為頻率的函數(shù)，如圖2所示，其參照對(duì)象為ADuM140x。在啟用刷新的情況下，對(duì)于ADuM140x，當(dāng)數(shù)據(jù)速率為1Mbps時(shí)，刷新導(dǎo)致的曲線拐點(diǎn)清晰可見(jiàn)，ADuM144x則在數(shù)據(jù)速率為17kbps時(shí)清晰可見(jiàn)。在1kbps時(shí)，ADuM144x每個(gè)通道的典型功耗要低65倍，而在完全禁用刷新時(shí)，則低1000倍左右。

圖2：ADuM144x和ADuM140x器件在VDDX=3.3V條件下的每通道總功耗。

Current per Channel （μA）： 每通道電流/μA

功耗的大幅下降為何有用？在以下三種應(yīng)用中，傳統(tǒng)光耦合器和數(shù)字隔離器的作用有限或者完全不可用。

4mA至20mA隔離式環(huán)路供電型現(xiàn)場(chǎng)儀表

環(huán)路供電型現(xiàn)場(chǎng)儀表（見(jiàn)圖3）的功率預(yù)算非常有限，因?yàn)樗泄β示鶃?lái)自4mA的環(huán)路電流。但幸運(yùn)的是，該環(huán)路通常可提供足夠的電壓（典型值為24V），能從系統(tǒng)中獲取大約100mW的功率。4mA時(shí)，整個(gè)應(yīng)用將使用大約12V的環(huán)路電壓。在這一預(yù)算范圍內(nèi)，一個(gè)簡(jiǎn)單的DC/DC轉(zhuǎn)換器可為隔離式傳感器ADC和控制器供電。

圖3：環(huán)路供電型現(xiàn)場(chǎng)儀表。

Controller： 控制器

Isolation： 隔離

Signal conditioning： 信號(hào)調(diào)理

Loop+： 環(huán)路+

Loop-： 環(huán)路-

即使假定DC-DC轉(zhuǎn)換器具有較高的效率且電壓降壓比為2:1，在3.3V條件下，一個(gè)典型的傳感器前端可使用的電流不足4mA，環(huán)路端的功率預(yù)算與之大致相當(dāng)。主接口為連接ADC的SPI總線。隔離式接口的每一端，以及所有控制器ADC和信號(hào)調(diào)理元件均由環(huán)路供電。表2展示了一種4線SPI總線在每種隔離技術(shù)下的功耗情況。SPI 1為隔離的環(huán)路端電流，SPI 2為所需要的傳感器端電流。在隔離接口的每一端，光耦合器需要消耗的功率比功率預(yù)算高許多倍。

表2：100kbps隔離式SPI接口每側(cè)的總功耗

容性數(shù)字隔離器會(huì)消耗現(xiàn)場(chǎng)儀表的全部功率預(yù)算。一種可能性是選擇ADuM1401，但系統(tǒng)其余部分的功率預(yù)算很小，即使是僅支持連接ADC的單個(gè)SPI接口?；趇Coupler技術(shù)的新型超低功耗數(shù)字隔離器ADuM1441的功耗非常低，僅占功耗預(yù)算的很小一部分。該技術(shù)不僅允許應(yīng)用在其功率預(yù)算內(nèi)正常工作，同時(shí)還允許添加第二個(gè)四通道隔離器，以支持一個(gè)HART調(diào)制解調(diào)器接口和一個(gè)智能前端控制器，如圖中虛線部分所示。功耗超低的iCoupler技術(shù)可實(shí)現(xiàn)以前在隔離應(yīng)用中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新功能。

以太網(wǎng)供電I2C通信總線

以太網(wǎng)供電（POE）等電信類應(yīng)用從電壓相對(duì)較高的供電軌中獲得功率，該供電軌為以太網(wǎng)供電。控制通信接口必須從隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器獲取功率，或者通過(guò)一個(gè)調(diào)節(jié)器從-54V總線電壓取得功率。在圖4所示例子中，用于I2C控制總線的3.3V通信接口電壓由POE控制器內(nèi)置的一個(gè)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生。表3所示為在POE控制器端運(yùn)行I2C總線接口所需要的電流，以及POE控制器為支持每種技術(shù)而消耗的功率。

圖4：以太網(wǎng)供電I2C通信總線。

Isolation： 隔離

Regulated Power： 調(diào)節(jié)后的電源

表3：POE應(yīng)用中隔離技術(shù)的總功耗

光耦合器解決方案會(huì)在芯片中產(chǎn)生半瓦特的熱量，而該芯片很可能已接近其熱極限。表中從上向下，每種接口的表現(xiàn)均略好于前一項(xiàng)，最后是功耗超低的ADuM1441，其功耗約為1mW。如此一來(lái)，該接口的熱負(fù)載在這種芯片中顯得微不足道。即使電源未在POE芯片內(nèi)部調(diào)節(jié)，該功耗也非常低，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的齊納二極管和電阻，從而使節(jié)能元件的成本和冷卻負(fù)載達(dá)到合理水平。該技術(shù)簡(jiǎn)化了電源架構(gòu)。

電池供電式醫(yī)療傳感器

超低功耗的第三個(gè)用途是支持持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的電池供電應(yīng)用。面向家庭健康監(jiān)護(hù)的醫(yī)療器械（如血糖儀、脈搏血氧儀）必須采用特殊結(jié)構(gòu)，以在接觸病人的同時(shí)，還能連接非醫(yī)療級(jí)的計(jì)算機(jī)（見(jiàn)圖5）。必須為串行接口供電，并能在連接計(jì)算機(jī)時(shí)喚醒設(shè)備，因此，待機(jī)電路中應(yīng)采用一個(gè)有源隔離器。在這種情況下，借助ADuM1441的刷新禁用特性，可使器件從電池吸取的電流低于4μA。對(duì)于如此低的功耗水平，即使是一枚紐扣電池也可使待機(jī)電流維持?jǐn)?shù)年時(shí)間。

圖5：電池供電式醫(yī)療傳感器解決方案。

Computer： 計(jì)算機(jī)

另外，得益于ADuM1441超低的功耗，還可方便地為隔離組件面向計(jì)算機(jī)的一端供電。由于接口運(yùn)行只需幾μA的電流，因此，可以在串行接口中專門(mén)用一條狀態(tài)線為隔離器供電，這樣，就不需要專用電源了。

表4展示了光耦合器以及各種數(shù)字隔離方案在待機(jī)模式下的部分屬性，。請(qǐng)注意，如果選擇了正確的空閑狀態(tài)，PIN/晶體管隔離器的待機(jī)電流實(shí)際上可以像基于iCoupler的超低功耗產(chǎn)品一樣低。許多應(yīng)用即利用了光耦合器的這一屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)功耗。然而，一旦開(kāi)始通信，功耗即會(huì)躍升至相對(duì)較高的水平，ADum1441解決方案就不會(huì)這樣。

表4：隔離器的低速和空閑總功耗