引言
出於安全和（或）資料完整性考慮，通常需要在電路元件之間進行隔離。例如，隔離可以保護系統端敏感的電路元件和人介面免受現場端存在的危險電壓的損害，現場端駐留比較強固的元件，例如感測器和執行裝置。隔離還可以消除影響資料獲取精度的共模雜訊和接地迴路問題干擾。雖然可以採用傳統的光耦合器或ADI公司的iCoupler隔離器完成通過隔離阻障的資料傳送，但是主要的挑戰和共同難題是找到一種將電源從非隔離的系統端傳送到被隔離的現場端的方法。本文討論了通過採用ADI公司最新的iCoupler產品——整合型電源隔離和資料信號隔離的新方法解決這個難題的技術背景。
迄今為止，經過隔離阻障傳送電源一般需要兩種方法，一種方法是分離式DC/DC轉換器，其尺寸相當大、成本高而且隔離度不夠；另一種方法是定制的分離式方法，它不僅體積大而且難於設計和連接。這兩種方法已是唯一可行的替代方法，即使是在只需要低隔離電源（例如資料獲取模組）的應用場合。
ADI公司最近推出了一種完整而且完全整合的隔離解決方案——採用微型變壓器經過隔離阻障傳送信號和電源，解決了上述問題。我們將iCoupler技術的擴展稱為isoPower技術，是又一種創新的解決方案。在一顆單晶片內提供信號和電源隔離功能，無需體積大、成本高、難設計的隔離電源，並且提供了高達5 kV足夠的隔離度。它可以顯著降低隔離系統的總成本、印刷電路板（PCB）面積和設計時間。一種採用isoPower技術的雙通道iCoupler元件如圖1所示，其面積縮小90%，成本降低70％。
圖1. 傳統方法與isoPower方法的成本和尺寸比較
採用isoPower技術的iCoupler隔離元件
整合的DC/DC轉換器包括採用的變壓器開關、整流二極體和最重要的變壓器。通過採用達300 MHz數量級的高開關頻率減小變壓器尺寸以便能夠將其盡可能整合在一個完整的隔離解決方案中。這與磁芯變壓器中採用的方法正好相反，在磁芯變壓器中磁芯的滲透率在高頻的時候開始降低，從而導致明顯的磁芯損失，降低效率。此外，磁芯還可能會折衷變壓器的額定隔離電壓。然而，無磁芯的iCoupler變壓器可以在更高的頻率處工作而且實現起來要簡單得多。
iCoupler元件中所採用的微型變壓器構造在CMOS襯底的上方。圖2顯示了隔離變壓器結構的截面圖，圖3顯示了一張帶有電源和信號變壓器的管芯照片。通過為初級和次級線圈鍍了一層6 m厚的鍍金，將變壓器串聯電阻值減到了最小。初級和次級端之間的20 m厚的聚酰亞胺層提供耐受高達5 kV的高壓（HV）隔離。底部線圈下面增加一層5 m厚的聚酰亞胺有助於減小襯底電容和襯底損耗。利用可提供的IC下面的金屬層精心設計帶圖案的接地遮罩層可以進一步降低襯底損耗。對於具有大的磁耦合係數的層疊式變壓器來說，鄰近效應和渦流是不需要太多考慮的問題。線圈的設計可以通過優化線圈參數來完成，例如線圈的匝數、印刷線寬度和印刷線間距。頂部線圈在300 MHz高頻時的品質因數（Q）可能高達20，底部線圈可高達15。微型變壓器結構的高Q值使得高效的電源傳送成為可能。
圖2. iCoupler變壓器線圈的截面圖
圖3. 變壓器管芯照片顯示電源變壓器線圈和兩個資料變壓器線圈。
數位信號的傳送是通過發送大約1 ns寬的短脈衝到變壓器另一端來實現的，兩個連續的短脈衝表示一個上升緣，單個短脈衝表示下降緣。圖4顯示了信號傳送的方塊圖。次級端有一不可重複觸發的單穩態電路產生檢測脈衝。如果檢測到兩個脈衝，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測到單個脈衝，輸出就置為低電平。採用一個輸入濾波器有助於提高雜訊抗擾能力。如果1 s左右沒有檢測到信號邊緣，發送刷新脈衝信號送給變壓器來保證直流的正確性。如果輸入為高電平，就產生兩個連續的短脈衝作為刷新脈衝，如果輸入為低電平，就產生單個短脈衝刷新。為了補充驅動器端的刷新電路，在接收器端採用了一個監視計時器來保證在沒有檢測到刷新脈衝時輸出處於一種故障安全狀態。
圖4. 數位信號傳送方塊圖
採用類似的微型變壓器傳送電源。因為它們L/R比很小，所以變壓器需要開關在很高的頻率才能防止電流飽和並達到高效率。圖5所顯示了採用交叉耦合配置和變壓器形成持續振盪實現的四個補充CMOS開關的實例。優化儲能元件的尺寸以便使能量傳遞效率最高。採用整合的蕭特基二極體用作整流元件。對於300 MHz整流信號，這些二極體的導通和恢復速度足夠快。需要選擇二極體使它們在整流期間工作在蕭特基區域。次級端的線性穩壓器用於保證當輸出負載或輸入電源變化時保持穩定的輸出電壓。對許多低功耗應用來說，效率是次要關心的問題。為了提高效率並保證能量的調節，可以增加一個可選的反饋信號變壓器。反饋信號可以導通或關斷LC儲能元件，而不直接控制變壓器開關。這種方法從根本上將能量調節與能量轉換分開，從而支持高效的電源傳送並保證穩定的電壓。
圖5. 電源傳送方塊圖
關於開關變壓器一個普遍關心的問題就是電磁干擾問題，尤其是對於開關速率為300 MHz的變壓器。採用遠場的近似值，
P = 160 rn /)4 ; n = 1,2,…,N
其中：P = 總輻射功率
I = 線圈迴路電流
300 MHz的波長約為1 m，半徑在0.5 mm範圍內的變壓器還是一個具有小r/的極弱的天線。據估計，即使元件工作在300 MHz，迴路電流為350 mA的情況下，總的輻射功率仍然不到500 pW。近場輻射隨著與變壓器距離的增大而迅速降低。片內變壓器之間只有在距離很小時才會出現緊耦合，在我們的例子中是20 m。
應用實例：次級控制電源ADuM5242
隨著新型電源向低電源電壓、快速動態回應和電源與負載之間有更多系統交互的方向發展，次級控制體系結構得到了發展。採用次級控制取代初級控制有兩個主要困難。第一個困難是需要高性能的數位隔離取代類比隔離。通常採用一種低成本的模擬光耦合器在初級端控制將類比反饋誤差信號從系統的次級端發送到初級端，同時可能需要一個高成本或大體積的數位耦合器為採用次級控制的系統發送PWM信號經過隔離阻障。
第二個困難是系統啟動之前在次級控制器端對電源的需要。初級控制器就沒有這樣的問題，因為在初級端總有可提供的電源。解決次級控制啟動問題主要有兩種方法。一種方法就是增加一個輔助電源專用於次級控制器的啟動。另一種方法就是在初級端有一個專用的啟動元件以便為了啟動次級端控制器在次級端建立初始偏置電壓。
ADI公司的ADuM5242雙通道的數位隔離器，具有50 mW的隔離輸出功率，是一種解決啟動問題的理想解決方案。這種8引腳SOIC封裝的元件提供兩個信號隔離通道，支援高達10 Mbps的PWM信號，還有一個用於次級控制器啟動的5 V，10 mA隔離電源。一旦系統啟動後，用戶可以選擇禁止這個電源。這種禁止功能是通過監視輸入電源電壓實現的。當輸入電源電壓降至4 V以下時，圖5中所示的反饋控制開關就會斷開。圖6是在次級控制系統中採用ADuM5242的應用實例方塊圖。兩個數位信號通道提供具有同步整流的次級控制器的反饋信號，以便驅動初級端的半橋式驅動器。
圖6 .採用基於isoPower技術的 ADuM5242的次級控制系統應用實例
與ADuM5242一起還推出兩種其他的資料通道配置。ADuM5240有兩個隔離的輸出通道，而ADuM5241有一個隔離的輸出通道和一個隔離的輸入通道。這就為支援各種不同應用提供了靈活性。ADuM524x產品還可以與其它的多通道iCoupler元件配合使用以便配置更多的隔離信號通道。
結語
採用isoPower技術的 iCoupler解決方案在單晶片中提供了一種完整的隔離解決方案。它不僅提供從功耗、尺寸和性能方面都真正超過光耦合器的先進的數位信號隔離方法，而且它還無需分離的隔離電源。iCoupler技術提供了高度整合的可能性，可以顯著地降低複雜程度、尺寸以及隔離系統的總成本。
出於安全和（或）資料完整性考慮，通常需要在電路元件之間進行隔離。例如，隔離可以保護系統端敏感的電路元件和人介面免受現場端存在的危險電壓的損害，現場端駐留比較強固的元件，例如感測器和執行裝置。隔離還可以消除影響資料獲取精度的共模雜訊和接地迴路問題干擾。雖然可以採用傳統的光耦合器或ADI公司的iCoupler隔離器完成通過隔離阻障的資料傳送，但是主要的挑戰和共同難題是找到一種將電源從非隔離的系統端傳送到被隔離的現場端的方法。本文討論了通過採用ADI公司最新的iCoupler產品——整合型電源隔離和資料信號隔離的新方法解決這個難題的技術背景。
迄今為止，經過隔離阻障傳送電源一般需要兩種方法，一種方法是分離式DC/DC轉換器，其尺寸相當大、成本高而且隔離度不夠；另一種方法是定制的分離式方法，它不僅體積大而且難於設計和連接。這兩種方法已是唯一可行的替代方法，即使是在只需要低隔離電源（例如資料獲取模組）的應用場合。
ADI公司最近推出了一種完整而且完全整合的隔離解決方案——採用微型變壓器經過隔離阻障傳送信號和電源，解決了上述問題。我們將iCoupler技術的擴展稱為isoPower技術，是又一種創新的解決方案。在一顆單晶片內提供信號和電源隔離功能，無需體積大、成本高、難設計的隔離電源，並且提供了高達5 kV足夠的隔離度。它可以顯著降低隔離系統的總成本、印刷電路板（PCB）面積和設計時間。一種採用isoPower技術的雙通道iCoupler元件如圖1所示，其面積縮小90%，成本降低70％。
圖1. 傳統方法與isoPower方法的成本和尺寸比較
採用isoPower技術的iCoupler隔離元件
整合的DC/DC轉換器包括採用的變壓器開關、整流二極體和最重要的變壓器。通過採用達300 MHz數量級的高開關頻率減小變壓器尺寸以便能夠將其盡可能整合在一個完整的隔離解決方案中。這與磁芯變壓器中採用的方法正好相反，在磁芯變壓器中磁芯的滲透率在高頻的時候開始降低，從而導致明顯的磁芯損失，降低效率。此外，磁芯還可能會折衷變壓器的額定隔離電壓。然而，無磁芯的iCoupler變壓器可以在更高的頻率處工作而且實現起來要簡單得多。
iCoupler元件中所採用的微型變壓器構造在CMOS襯底的上方。圖2顯示了隔離變壓器結構的截面圖，圖3顯示了一張帶有電源和信號變壓器的管芯照片。通過為初級和次級線圈鍍了一層6 m厚的鍍金，將變壓器串聯電阻值減到了最小。初級和次級端之間的20 m厚的聚酰亞胺層提供耐受高達5 kV的高壓（HV）隔離。底部線圈下面增加一層5 m厚的聚酰亞胺有助於減小襯底電容和襯底損耗。利用可提供的IC下面的金屬層精心設計帶圖案的接地遮罩層可以進一步降低襯底損耗。對於具有大的磁耦合係數的層疊式變壓器來說，鄰近效應和渦流是不需要太多考慮的問題。線圈的設計可以通過優化線圈參數來完成，例如線圈的匝數、印刷線寬度和印刷線間距。頂部線圈在300 MHz高頻時的品質因數（Q）可能高達20，底部線圈可高達15。微型變壓器結構的高Q值使得高效的電源傳送成為可能。
圖2. iCoupler變壓器線圈的截面圖
圖3. 變壓器管芯照片顯示電源變壓器線圈和兩個資料變壓器線圈。
數位信號的傳送是通過發送大約1 ns寬的短脈衝到變壓器另一端來實現的，兩個連續的短脈衝表示一個上升緣，單個短脈衝表示下降緣。圖4顯示了信號傳送的方塊圖。次級端有一不可重複觸發的單穩態電路產生檢測脈衝。如果檢測到兩個脈衝，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測到單個脈衝，輸出就置為低電平。採用一個輸入濾波器有助於提高雜訊抗擾能力。如果1 s左右沒有檢測到信號邊緣，發送刷新脈衝信號送給變壓器來保證直流的正確性。如果輸入為高電平，就產生兩個連續的短脈衝作為刷新脈衝，如果輸入為低電平，就產生單個短脈衝刷新。為了補充驅動器端的刷新電路，在接收器端採用了一個監視計時器來保證在沒有檢測到刷新脈衝時輸出處於一種故障安全狀態。
圖4. 數位信號傳送方塊圖
採用類似的微型變壓器傳送電源。因為它們L/R比很小，所以變壓器需要開關在很高的頻率才能防止電流飽和並達到高效率。圖5所顯示了採用交叉耦合配置和變壓器形成持續振盪實現的四個補充CMOS開關的實例。優化儲能元件的尺寸以便使能量傳遞效率最高。採用整合的蕭特基二極體用作整流元件。對於300 MHz整流信號，這些二極體的導通和恢復速度足夠快。需要選擇二極體使它們在整流期間工作在蕭特基區域。次級端的線性穩壓器用於保證當輸出負載或輸入電源變化時保持穩定的輸出電壓。對許多低功耗應用來說，效率是次要關心的問題。為了提高效率並保證能量的調節，可以增加一個可選的反饋信號變壓器。反饋信號可以導通或關斷LC儲能元件，而不直接控制變壓器開關。這種方法從根本上將能量調節與能量轉換分開，從而支持高效的電源傳送並保證穩定的電壓。
圖5. 電源傳送方塊圖
關於開關變壓器一個普遍關心的問題就是電磁干擾問題，尤其是對於開關速率為300 MHz的變壓器。採用遠場的近似值，
P = 160 rn /)4 ; n = 1,2,…,N
其中：P = 總輻射功率
I = 線圈迴路電流
300 MHz的波長約為1 m，半徑在0.5 mm範圍內的變壓器還是一個具有小r/的極弱的天線。據估計，即使元件工作在300 MHz，迴路電流為350 mA的情況下，總的輻射功率仍然不到500 pW。近場輻射隨著與變壓器距離的增大而迅速降低。片內變壓器之間只有在距離很小時才會出現緊耦合，在我們的例子中是20 m。
應用實例：次級控制電源ADuM5242
隨著新型電源向低電源電壓、快速動態回應和電源與負載之間有更多系統交互的方向發展，次級控制體系結構得到了發展。採用次級控制取代初級控制有兩個主要困難。第一個困難是需要高性能的數位隔離取代類比隔離。通常採用一種低成本的模擬光耦合器在初級端控制將類比反饋誤差信號從系統的次級端發送到初級端，同時可能需要一個高成本或大體積的數位耦合器為採用次級控制的系統發送PWM信號經過隔離阻障。
第二個困難是系統啟動之前在次級控制器端對電源的需要。初級控制器就沒有這樣的問題，因為在初級端總有可提供的電源。解決次級控制啟動問題主要有兩種方法。一種方法就是增加一個輔助電源專用於次級控制器的啟動。另一種方法就是在初級端有一個專用的啟動元件以便為了啟動次級端控制器在次級端建立初始偏置電壓。
ADI公司的ADuM5242雙通道的數位隔離器，具有50 mW的隔離輸出功率，是一種解決啟動問題的理想解決方案。這種8引腳SOIC封裝的元件提供兩個信號隔離通道，支援高達10 Mbps的PWM信號，還有一個用於次級控制器啟動的5 V，10 mA隔離電源。一旦系統啟動後，用戶可以選擇禁止這個電源。這種禁止功能是通過監視輸入電源電壓實現的。當輸入電源電壓降至4 V以下時，圖5中所示的反饋控制開關就會斷開。圖6是在次級控制系統中採用ADuM5242的應用實例方塊圖。兩個數位信號通道提供具有同步整流的次級控制器的反饋信號，以便驅動初級端的半橋式驅動器。
圖6 .採用基於isoPower技術的 ADuM5242的次級控制系統應用實例
與ADuM5242一起還推出兩種其他的資料通道配置。ADuM5240有兩個隔離的輸出通道，而ADuM5241有一個隔離的輸出通道和一個隔離的輸入通道。這就為支援各種不同應用提供了靈活性。ADuM524x產品還可以與其它的多通道iCoupler元件配合使用以便配置更多的隔離信號通道。
結語
採用isoPower技術的 iCoupler解決方案在單晶片中提供了一種完整的隔離解決方案。它不僅提供從功耗、尺寸和性能方面都真正超過光耦合器的先進的數位信號隔離方法，而且它還無需分離的隔離電源。iCoupler技術提供了高度整合的可能性，可以顯著地降低複雜程度、尺寸以及隔離系統的總成本。
