超低功耗开启高速隔离应用之门

作者：ADI公司应用工程师 Mark Cantrell

长久以来，隔离一直被设计师视为一个必不可少的负担。说它必不可少是因为，它可以使电子元件变得安全，以便任何人都能使用。说它是个负担是因为，它会限制通信速度，消耗大量电能，并占用较大的电路板空间。基于老技术的光耦合器，甚至许多较新的数字隔离器，其功耗非常高，致使某些类型的应用失去了可行性。在本文中，我们将考察超低功耗隔离领域的最新发展，其与现有技术的关系，以及其实现方式。同时，我们还将探讨可以从这类新器件受益的多种应用。

对设计师来说，大约45年前出现的现代光耦合器是一个巨大的进步。它们允许在电源控制电路中实现反馈，在通信电路中实现信号隔离以中断接地环路，以及对高端功率晶体管或电流监控器进行通信。

20世纪70年代，光电器件大量涌现。这些器件影响了RS-232、RS-485等通信标准，以及4至20 mA电路环路和DeviceNet及PROFIBUS等工业总线的发展。受隔离器件本身限制的影响，光隔离的功能决定了这些通信总线的诸多特性。在接下来的20年中，隔离技术的发展变化基本上属于量变，而到了2000年，市场上出现了首批新型芯片级数字隔离器。这些新器件以感性耦合技术为基础，采用芯片级变压器、GMR材料以及后来的差分容性耦合技术。与较老的光耦合器相比，这些新技术可以实现超高的速率和超低的功耗水平，然而，受当时实施的标准限制，新器件的许多功能(如高速率)并未得到充分利用，因为现行标准接口并不需要这些功能。

在数字隔离器采用标准封装和IC工艺制造其编码和解码电子元件之后，数字化功能的添加变得十分简便。低功耗、对低电源电压的支持以及高集成度成为非光学隔离器的主要设计优势。能大幅提高隔离速率并且大幅降低隔离功耗的新技术可以支持要求最为苛刻的新接口标准。目前，数字隔离器的功耗(远远低于光耦合器)需要低两至三个数量级才能进入新的应用空间。到目前为止，高性能隔离还不能实现这一目标。

各种技术的比较

隔离器件性能的快速发展是数据编码方案与数据传输所用介质的效率共同作用的结果。在本文中，我们将集中讨论决定功耗的各个方面。编码和解码方案可以大致分为基于边沿编码脉冲的系统和电平编码系统。简单而言，基于电平的系统必须持续地将能量推过隔离栅，以保持一个主动输出状态，同时，通过不越过隔离栅发送能量来表示被动输出状态。

在光耦合器中，光会对能量传输进行调解，与直接建立电场或磁场相比，其效率较低，并且在接收元件端，其检测效率较差。因此，简单的晶体管或基于PIN二极管的光耦合器需要消耗大量电能来产生光，以使输入保持开启状态，但接收器只需消耗很少的电能即可接收信号。这一点可以在表1中看出，其中列出了PIN二极管接收器光耦合器的功耗。平均而言，这类光耦合器具有高输入电流和低输出电流的特点。较高速率的数字光耦合器通过在接收器中增加有源放大模块的方式，减少了维持某种状态所需要的光量。这就降低了LED所需要的平均电流，但接收器具有相对较大的静态电流，因此，其功耗并未真正降低——只是推到了接收器端。降低所需功耗需要提高

LED和接收器元件的效率，或者更改编码方案。这就是光耦合器技术在如此长的时间中，只取得了量变发展的原因所在。

在许多容性耦合数字隔离器中，系统实际上与光耦合器相似。这类器件采用一个高频振荡器来把信号通过一对差分电容传递出去。该振荡器，非常像光耦合器中的LED，需要消耗电能以发送主动状态，并关闭以发送被动状态。接收器配有有源放大器，在两种状态下都要消耗偏置电流。如表1所示，由于电容的耦合效率较高，总功耗要显著好于光耦合器选项。需要注意的是，如果采用感性耦合而非容性耦合技术，数字隔离器的功率水平大致与之相当。在这种情况下，决定最低功率水平的主要是编码方案，在低数据速率下尤其如此。

ADI出品的iCoupler型数字隔离器(如ADuM140x系列)采用了另一种编码方案，如图1所示。在该方案中，边沿在输入端检测并编码成脉冲。在ADuM140x中，一个脉冲代表一个下降沿，两个脉冲表示一个上升沿。这些脉冲通过小型片内脉冲变压器耦合至次级绕组。接收器对脉冲计数，并重构数据流。脉冲本身具有出色的鲁棒性，可以获得优秀的信噪比，但其宽度只有1ns，因此，每个脉冲的能量是很低的。结果产生非常好的属性，即当没有数据发生变化时，输出端的状态会被锁存保持，几乎不消耗电能。这意味着，功耗就是脉冲流中传输的集成电能加上一定的偏置电流。随着数据速率的下降，功耗呈线性下降，直到直流为止。同样，导致功耗减少的是编码方案而不是特定数据传输介质，该方案可以在容性，甚至光学系统中实现。


图1.基于脉冲的编码方案

脉冲编码方案并非低功耗的灵丹妙药。其缺点是，如果输入端无逻辑变化，则不会将数据发到输出端。这意味着，如果存在因启动序列导致的直流电平差，则输入端和输出端将不匹配。ADuM140x解决了这个问题，其方法是在输入通道上实现一个刷新看门狗计时器，如果在超过1μs的时间内未检测到活动，则会重新发送直流状态。这种设计的结果是，当数据速率低于1 Mbps时，该编码方案不再继续减少功耗。器件基本上始终运行在至少1 Mbps的速率下，因此，在低数据速率下，功耗不会继续下降。即便如此，与表1所示电平敏感型方案相比，脉冲编码方案的平均功耗较低。

表1.隔离器每通道功耗比较(VDD= 3.3 V，100 kbps)