从典型案例看数字隔离与传统隔离解决方案的技术抉策

不恰当的隔离电路设计导致设备损坏，甚至人员触电事故的事例并不少见，为此业界提出了很多安全隔离设计性能要求以及系列强制认证标准，设计中必须采用恰当的隔离措施。除了安全上的考虑，采用隔离措施还有助于降低接地环路噪声。

然而，隔离措施不可避免地会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。尤其是多年来，实现安全隔离的手段通常唯一合理的选择就是光耦合器。随着近几年数据传输的速度不断提升，系统功耗、成本、尺寸日益敏感，以及对性能提出越来越苛刻的要求，传统的光耦合器也暴露出诸多缺点——电路体积大，集成度不高，而且光耦合器件本身具有易损耗、速度较慢(一般的数据速率低于1Mbps)、耗电量大等缺点。特别是在温度和老化变化过程中的性能极不稳定，为其应用带来很多局限，在工业、医疗等对功能特性要求较高的应用中这些问题尤其突出。

数字隔离超越光耦全面满足隔离之需

隔离器的主要结构大致有四种: 一是传统光电耦合；二是集成式变压器(磁耦合)；三是集成式电容耦合；四是分立式变压器耦合。为了克服光电隔离技术的诸多缺点，许多半导体公司开始研发非光电耦合的隔离器解决方案。ADI公司是最早一家推出新型数字隔离器解决方案的公司，并于2001年率先推出基于其专利iCouple磁耦隔离技术的标准数字隔离产品。

图1：iCoupler芯片级变压器结构图

iCoupler技术是基于芯片尺寸的变压器，每个iCoupler通道都由CMOS接口电路和芯片级变压器组成。iCoupler器件的关键就是这个能够穿越隔离绝缘体，发射并接收信号的平面变压器，在提供隔离功能同时还消除了光耦合器中光电转换包括功耗过大、较大时序误差和数据速率低等问题。独特的结构使iCoupler数字隔离器实现了领先光电耦合器件的诸多性能优势：静态/动态电流更小，功耗仅为光电耦合器的1／10～1／50；可实现数千伏(5000V) 的隔离，其高耐压的关键在于发送和接收变压器的顶层和底层线圈之间，采用厚达20μm的聚酰亚胺材料作为隔离层；传输速度更快，远高于传统光耦，高达150Mbps；寿命更长，在耐高压和耐击穿的使用范围内寿命甚至可达50年；可以集成标准CMOS工艺下的其他功能；可以在芯片内部实现隔离电源，并具有更小的体积和厚度。

图2：光耦合器与iCoupler数字隔离器的性能对比

这些产品可广泛应用于几乎所有的应用，包括医疗设备、仪器仪表、网络设备、电池充电系统、工业过程控制、新能源、照明与楼宇控制、汽车系统、工业现场总线，等等。目前，全球已有超过8.5亿个隔离通道采用了iCoupler技术。本文将分享三个典型应用案例，看iCoupler在这些系统设计中能带来哪些不一样的性能特性。

一、工业应用中的隔离方案选择

工业应用的独特环境对隔离技术有不同于其他系统设计的要求，这些要求包括更宽的环境温度，更高的可靠性和更高的性能。此外，成本、集成度、功耗等特性也是很多设计必须兼顾考虑的因素。

电磁流量计是典型工业应用产品之一。电磁流量计因其无压力损耗，且不受粘度、流体密度、温度、压力或电导率的影响，受到纸浆、泥浆、污水等高精度测量应用市场的欢迎。然而，由于系统电源、中央逻辑单元、通信和I/O之间需要1 kV至2.5 kV不等的隔离，要求能够连接不同的现场总线，必须进行恰当的隔离。

过去的电磁流量计多采用光耦器件实现系统中的电气隔离要求。但是，由于电磁流量计内部的空间有限，系统密度很高，因而对器件尺寸很敏感。而对于便携式电磁流量计来说，除了尺寸敏感外，器件功耗也是极为关键的考虑要素。近年来，越来越多的电磁流量计厂商在隔离电路中舍弃了光耦器件，转而采用更具整体性能优势的iCoupler隔离技术。电磁流量计产品国内领先厂商Chengbo就是其中之一，该公司在其早期的产品设计中，采用了光耦器件，基于成本、性能、尺寸和集成复杂度方面的综合权衡，在新的设计中他们采用了四通道的iCoupler数字隔离技术来实现隔离，有效地将PCB占位面积降低60%，仅需90mm×80mm的PCB面积。除此之外，新的设计中，仅隔离电路部分就实现了90%功耗节省。

图3:某知名企业的四通道光耦合器件(左图)与ADI四通道iCoupler（右图）的封装尺寸对比。

广泛的产品系列为此类应用提供了更具针对性的选择。业界具有大量应用的ADI公司电磁流量计参考设计中就采用了1kV四通道数字隔离器ADuM7441实现基本的电气隔离。与大部分四通道隔离器采用16引脚SOIC宽体封装不同，该器件采用小型16引脚QSOP封装，相比之下可节省几乎70%的电路板空间，却仍能耐受高隔离电压，并且符合UL和CSA标准（正在申请中）等法规要求