超低功耗开启高速隔离应用之门

进一步降低功耗

ADuM140x脉冲编码方案最初是针对高数据速率而非绝对最低功耗而优化的。该编码方案在降低功耗方面潜力巨大，尤其是在直流至1 Mbps频率范围内。这一数据范围正是多数隔离应用所使用的范围，尤其是要求低功耗的隔离应用。基于4通道ADuM144x和2通道ADuM124x iCoupler技术的系列器件采用了以下创新技术。

1.设计采用较低电压CMOS工艺实现
2.全部偏置电流均经过评估，并尽可能将偏置降至最低或完全消除
3.将刷新电流的频率从1 MHz减至17 kHz
4.刷新电路可以完全禁用，以实现最低功耗

功耗为频率的函数，如图2所示(相较于ADuM140x)。对于ADuM140x，刷新导致的曲线“膝部”在1 Mbps时清楚可见，对于ADuM144x，当启用刷新时，则在17 kbps下清晰可见。ADuM144x的典型每通道功耗，在1 kbps下要低65倍，而在完全禁用刷新功能时，则大约低1000倍。


图2. ADuM144x和ADuM140x器件在VDDX = 3.3 V条件下的每通道总功耗

为什么功耗下降这么多很有用？在以下三种应用中，传统光耦合器和数字隔离器要么勉强合格，要么完全不可用。

4 mA至20 mA隔离环路供电现场仪表


图3.搭载HART调制解调器支持的隔离式、环路供电型智能传感器前端

环路供电型现场仪表的功耗预算十分有限，因为全部电能均来自4 mA环路电流。幸运的是，环路通常可以提供足够的电压，一般为24 V，可以从系统获得大约100 mW的功率。整个应用将消耗大约12 V环路电压(4 mA)。在该预算范围内，简单的DC-DC转换器为隔离式传感器、模数转换器(ADC)和控制器供电。即便假定DC-DC转换器具有较高的效率，且电压降压比例为2:1，则典型传感器前端可提供的功率小于4 mA(3.3 V)。环路端的功耗预算大致相同。主要接口是连接ADC的SPI总线。隔离接口的每一端均由环路供电，还有控制器的全部ADC以及信号调理元件都是由环路供电。表2所示为每种隔离技术下的一个4线SPI总线的功耗。SPI 1为隔离的环路端电流，SPI 2为所需要的传感器端电流。光耦合器在隔离接口的每一端都将消耗多倍于功耗预算的电能。容性数字隔离器将消耗现场仪表的全部功耗预算。ADuM1401代表着一种可能性，但系统其余部分的功耗预算十分勉强，即便只支持连接ADC的单个SPI接口。采用iCoupler技术的超低功耗数字隔离器

ADuM1441的功耗非常低，仅占功耗预算的很小一部分。该技术不但允许应用在其功耗预算范围内正常工作，同时允许添加第二个4通道隔离器，以支持HART调制解调器接口和智能前端控制器，如图中虚线部分所示。功耗超低的iCoupler技术可以实现以前的隔离应用不可能实现的新功能。

表2.一个100 kbps隔离式SPI接口的每一端的总功耗


以太网供电I2C通信总线


图4.搭载隔离式I2C和中断的POE、4端口控制器

诸如以太网供电(POE)一类的电信类应用从相对较高的电压轨获得电能，该电压轨提供以太网电能。控制通信接口必须从隔离式DC-DC转换器或者通过–54 V总线电压稳压器获得电能。在图4所示示例中，3.3 V的I2C控制总线通信接口由POE控制器内置的稳压器产生。图3所示为在POE控制器端运行I2C总线接口所需要的电流，以及POE控制器为支持每种技术所消耗的功耗。光耦合器解决方案会在芯片中产生半瓦特的热量，该芯片很可能已经接近其热极限。在表中，从上往下，每个接口均略好于前一个，最后我们看到超低功耗的ADuM1441，其功耗约为1 mW。如此一来，该接口的热负载在这种芯片中显得微不足道。即使电源未在POE芯片内部调节，该功耗也非常低，可以使用一个简单的齐纳二极管和电阻，从而使节能元件的成本和冷却负载达到合理水平。该技术简化了电源架构。

表3.各种隔离技术在POE应用中的总功耗


电池供电设备


图5.电池供电医疗传感器

超低功耗的第三个应用示例是为持续时间较长的电池供电应用提供支持。面向家庭健康监护的医疗器械(如血糖仪、脉搏血氧仪)必须采用特殊结构，以在接触病人的同时，还能连接非医疗极计算机。必须为串行接口供电，并在连接计算机时，能唤醒设备，因此，待机电路中应采用有源隔离器。在这种情况下，利用ADuM1441的刷新禁用功能可以使器件的电池能耗降至4μA以下。这一功耗水平非常低，即使一枚纽扣电池，也可以使待机电流维持数年时间。

ADuM1441的超低功耗同时支持为隔离模块面向计算机的一端方便供电。只需要几μA电流即可实现接口操作，因此，可以将串行接口中的一条状态线专门用于为隔离器供电，这样就不需要使用专门的电源了。

表4展示的是光耦合器的部分属性，以及工作于待机模式下的各种数字隔离。请注意，如果选择了正确的空闲状态，则PIN/晶体管隔离器的待机电流实际上可能像基于超低功耗iCoupler的产品一样低。人们利用光耦合器的这种特性来在许多应用中实现低功耗待机。然而，一旦开始通信，功耗就会上升至较高水平，ADuM1441解决方案就不会这样。

表4.隔离器的总低速和空闲功耗