从典型案例看数字隔离与传统隔离解决方案的技术抉策

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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。此外，ADuM7441功耗极低，在高达25Mbps的数据速率下，其功耗仅为同类隔离器的十分之一至六分之一。如果设计需要2.5kV的隔离等级，还可以选择双通道数字隔离器ADuM320x或四通道数字隔离器ADuM140x，此两个系列的数字隔离器同样基于ADI公司iCoupler技术，同样具有卓越的低功耗特性，非常适合电池供电的电磁流量计的设计。
         
        电力计量中，iCoupler数字隔离技术同样形成了对传统光电耦合器的替代趋势。兼容直流的电流互感器一直用于检测智能电表中的交流电流，但它有一些缺点，而且很昂贵。对于某些应用，分流电阻是更好的电流传感器选择，因为它价格低廉、具有高线性度并且抗磁场干扰。然而，分流电阻不具有电流互感器所固有的电气隔离特性。在要求隔离的智能电表中，采用隔离电源技术的数字隔离器与分流电阻结合可提供一种良好的解决方案。iCoupler数字隔离器由于性能优于传统的光耦合器，并且支持多种串行通信(SPI、I2C或UART)，获得电力计量企业的大量采用。ADI在2012年更专为三相电能计量应用而推出了集成ADI公司的iCoupler和isoPower专利技术的一款3通道、Σ道、型ADC术的一款能计量应用，通过额定5kV的隔离势垒实现隔离信号传输和DC-DC电源转换，从而可使用分流电阻传感元件，而非电流互感器，大大降低成本而且不受磁场干扰和窃电篡改的影响。
         
        二、医疗应用，iCoupler解决安全至关重要的隔离需求
        IEC-60601-1、EN 6061-1-2和UL 6061-1等系列标准是关于医疗电子产品的基础安全标准，对触电危害防护要求有明确的规定，隔离技术的应用是满足这些标准要求的关键。为满足这些标准，安全通信解决方案领域全球领先企业Lantronix就在其新型EDS-MDn多端口医疗设备服务器的每一个端口都采用了iCoupler数字隔离技术实现其电流隔离。EDS-MD的电流隔离功能可为诸如此类连接设备提供最高等级的安全性，有助于确保将接地故障、功能故障等限制在单个端口，避免影响EDS-MD本身或者其他连接设备的完整性或可用性。
         
        借助这些隔离器，Lantronix的设计工程师们得以增加隔离通道的总数，最终使数据速率和时序规格比基于光耦合器的设计提高了4倍。通过放弃体积较大的光耦合器和其他额外的外部元件，Lantronix的设计师们还降低了系统尺寸、提高系统集成度，同时降低了整体设计的复杂性和成本。与竞争产品相比，EDS-MD元件数的减少使电路板总空间降低了40%，进而有助于护理点节省宝贵的床边空间。iCoupler数字隔离器的功耗比光耦合器最多低90%，为Lantronix的EDS-MD设计工程师带来了更大的设计灵活性，使其可以轻松实现功耗目标。
         

       

        图4：Lantronix新型EDS-MDn多端口医疗设备服务器。

         
        类似的应用还有很多——中国最大的医疗器械制造商之一的北京超思电子在其全功能病人监护仪MMED6000DP系列产品中，同样舍弃一直沿用的光耦器件而采用了iCoupler数字隔离产品。iCoupler和isoPower技术组合为MMED6000DP提供了最佳的隔离平台，使该监护仪在满足5kV的隔离等级条件下，性能、集成度、成本和尺寸多个方面实现对光耦隔离方案的全面超越。
         
        三、高集成度、小尺寸优势满足高密度航空应用
        卫星的电源系统至关重要，任何故障都有可能给航天器造成严重损坏，使其无法完成任务。西门子航空航天业务集团PowerSCOE项目就是这样的系统，该系统每个通道都包含辅助模拟输入及数字和模拟输出，因此最大的挑战是要确保100个通道彼此隔离。PCB上有100多路模拟和数字I/O，面对如此高的PCB密度，传统的光耦合器和DC/DC转换器解决方案已无能为力。
         
        该系统最终采用了ADI公司高度集成的iCoupler数字隔离技术。集成隔离式isoPower DC/DC转换器的数字隔离器基于iCoupler技术，在5.0 V电压（5.0 V输入电源）或3.3 V电压（3.3 V或5.0 V输入电源）下，隔离器集成的DC/DC转换器可提供最高500mW的隔离稳压电源。iCoupler芯片级变压器技术提供隔离电源并用于隔离四通道的逻辑信号，低功耗隔离设计中无需使用分立的隔离式DC/DC转换器。因此，与光耦合器和分立解决方案相比，这种解决方案所用的器件更少，尺寸更小，成本效益更高。
         
        利用高度集成的数字隔离器，西门子航空航天业务集团的设计工程师得以提高一个控制模块所容纳的隔离数据端口数量，而无需加大模块尺寸，即使每个端口都需要自己的隔离电源。PowerSCOE保护板具有170个iCoupler器件。如果使用其它解决方案，如光耦合器和分立式隔离式DC/DC转换器，控制模块将远大于目前的尺寸380 mm x 470 mm。
         
        本文总结：
        利用iCoupler数字隔离器，设计工程师可以摆脱传统设计中采用光耦合器所带来的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性方面的制约，在设计中实现出色的隔离性能。ADI提供了丰富的iCoupler数字隔离产品系列，这些产品包括：从单通道到6通道的标准隔离器；集成隔离电源的数字隔离器——isoPower；USB隔离器；隔离MOSFET驱动器；集成隔离技术的开关稳压电源；I2C总线数字隔离器；CAN总线隔离收发器；RS485隔离收发器；RS232隔离收发器；Σ-Δ隔离调制器。这些器件可以全面满足各种系统隔离之需。
         
        选择恰当的隔离技术，还需要了解应用中的隔离强度需求，需要确定以下问题：实际应用中的工作电压；设备所处电网条件(220V民用电网/工业用电网)；实际的应用环境(海拔高度/湿度条件/温度条件/污染条件)；应用中采取的隔离保护级别；保护对象类型(功能性隔离/基本安全隔离/增强型安全隔离)；该应用应该符合哪个具体国际安全规范；等等。此外，您还应该了解自己对隔离器工作速度和接口的要求：在该应用中的最高速率是多少？一个封装中需要多少个通道？在该应用中的时序要求（例如信号延迟的要求），以及是否需要集成其他功能(I2C/USB/RS-485/集成隔离电源)。无论有怎样的需求，基于iCoupler技术的ADI数百款数字隔离器几乎完全能满足应用所需。