在許多工業(yè)應(yīng)用中，例如過程控制系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，數(shù)字信號(hào)必須從各種傳感器傳輸?shù)街醒?a target="_blank">控制器進(jìn)行處理和分析。然后，控制器需要根據(jù)所執(zhí)行的分析結(jié)果傳輸命令，并將用戶輸入耦合到各種執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)某些操作。為了在用戶界面上保持安全電壓并防止瞬變從電源傳輸，需要電氣隔離。有三種常見的隔離器件：光耦合器、容性耦合隔離器和基于變壓器的隔離器。

光耦合器依靠發(fā)光二極管將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，依靠光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。電光轉(zhuǎn)換和低響應(yīng)光電探測(cè)器固有的低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致光耦合器在壽命、速度和功耗假設(shè)方面受到限制。電容耦合隔離器在尺寸和抑制共模電壓瞬變的能力方面存在局限性，而傳統(tǒng)的基于變壓器組件的隔離器體積龐大且價(jià)格昂貴。此外，由于集成電路集成的限制以及它們經(jīng)常需要混合封裝的事實(shí)，所有這些隔離器都受到限制。

ADI公司開發(fā)了基于芯片級(jí)變壓器的新型隔離技術(shù)i耦合器。首款產(chǎn)品ADuM1100單通道數(shù)字隔離器批量生產(chǎn)。i耦合器技術(shù)利用厚膜處理技術(shù)構(gòu)建微尺度片上變壓器，并在芯片上實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏隔離。i耦合器隔離變壓器可與標(biāo)準(zhǔn)硅IC單片集成，并可采用單通道或多通道配置制造。電感耦合的雙向特性進(jìn)一步促進(jìn)了雙向信號(hào)傳輸。這些片上變壓器的高帶寬與精細(xì)CMOS電路相結(jié)合，使隔離器在功率、速度、定時(shí)精度和易用性方面具有無與倫比的性能特征。

ADuM1100架構(gòu)：?jiǎn)瓮ǖ罃?shù)字隔離器

ADuM1100是一款單通道100 Mbps數(shù)字隔離器。該器件具有兩個(gè)采用 8 引腳 SOIC 封裝的 IC。ADuM1100的剖面圖如圖1所示。封裝內(nèi)有兩個(gè)引線框架焊盤，它們之間的間隙約為0.4 mm。模塑料的擊穿強(qiáng)度超過25 kV/mm，因此填充有模塑料的0.4 mm間隙可在兩個(gè)IC芯片的基板之間提供大于10 kV的絕緣。

圖 1a.采用1100引腳SOIC封裝的ADuM8的橫截面圖;圖 1b.頂部線圈和聚酰亞胺層的橫截面圖。

位于左側(cè)槳片上的驅(qū)動(dòng)器芯片接收輸入的數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行編碼，并通過鍵合線將編碼的差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)到位于右側(cè)槳片上的接收器芯片頂部的變壓器的頂部線圈。驅(qū)動(dòng)器芯片是標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片，接收器芯片是CMOS芯片，在鈍化之上制造了兩個(gè)聚酰亞胺層和變壓器初級(jí)線圈的附加結(jié)構(gòu)。頂部和底部線圈之間的聚酰亞胺厚度約為 20 mm。該聚酰亞胺的一些主要特性如表1所示。固化聚酰亞胺薄膜的擊穿強(qiáng)度大于300 V/μm，因此20 m聚酰亞胺在給定變壓器線圈之間提供大于6 kV的絕緣。這為3 kVRMS的生產(chǎn)測(cè)試電壓提供了舒適的裕量。由于這些晶圓加工聚酰亞胺薄膜的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，即使在5 kVRMS下也無法檢測(cè)到超過3 pC的局部放電。頂部線圈鍍金，層厚4μm，線圈軌道寬度和匝間間距均為4μm。聚酰亞胺層具有良好的機(jī)械伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度，這也有助于聚酰亞胺層之間或聚酰亞胺層與沉積金屬層之間的粘附。金膜和聚酰亞胺膜之間的最小相互作用，加上聚酰亞胺膜的高溫穩(wěn)定性，使系統(tǒng)在受到各種類型的環(huán)境應(yīng)力時(shí)提供可靠的絕緣。

除了片內(nèi)可實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏隔離外，ADuM110還可以非常高效、準(zhǔn)確、可靠地傳輸非常高帶寬的信號(hào)。圖3是ADuM1100的簡(jiǎn)化原理圖。為保證輸入穩(wěn)定性，前部毛刺濾波器濾除比脈沖寬度窄約2 ns的脈沖。接收到信號(hào)邊沿后，向線圈1或線圈1發(fā)送2 ns脈沖。（對(duì)于前沿信號(hào)，它被發(fā)送到線圈 1，對(duì)于下降沿信號(hào)，它被發(fā)送到線圈 2。一旦短脈沖被傳輸?shù)酱渭?jí)線圈（在本例中為底部線圈），它們就會(huì)被放大，輸入信號(hào)通過SR觸發(fā)器重建，顯示為隔離輸出。這些微尺度變壓器和高速CMOS的寬帶寬使得這些短納秒脈沖的傳輸成為可能。由于僅使用信號(hào)邊沿，因此這種傳輸方案非常節(jié)能。對(duì)于一個(gè)非常有能量的脈沖，其電流在100 ns內(nèi)斜坡上升到1 mA，平均如圖2所示。ADuM1100接收器芯片對(duì)于1 Mbps輸入信號(hào)的電流僅為50 μA。一些額外的功率通過切換包圍的CMOS柵極而消耗。

圖3.ADuM1100電路圖

在5 V電壓下，如果CMOS柵極的總電容為50 pF，則需要額外的20 μA/Mbps。另一方面，典型的光耦合器功耗超過10 mA，即使工作速率為1 Mbps。這意味著i耦合器隔離器的功耗提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)（100 ×）。

如果在一段時(shí)間內(nèi)（大約1 μs）沒有輸入變化，則單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生1 ns脈沖并將其發(fā)送到線圈1或線圈2，具體取決于輸入邏輯電平。如果輸入為高電平，則1 ns刷新脈沖發(fā)送到線圈1，如果輸入為低電平，則發(fā)送到線圈2。這有助于保持隔離器的直流正確性，因?yàn)橥ǔＣ}沖僅在接收到信號(hào)邊沿時(shí)傳輸。接收器包括一個(gè)看門狗電路，如果未被輸入脈沖復(fù)位，該電路將在2 μs時(shí)超時(shí)。如果發(fā)生超時(shí)，接收器輸出將返回到默認(rèn)安全電平（ADuM1100中的邏輯高電平）。刷新和看門狗功能的組合提供了檢測(cè)系統(tǒng)側(cè)任何現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障的額外優(yōu)勢(shì)。對(duì)于其他隔離器，這通常需要使用額外的隔離數(shù)據(jù)通道。

隔離器的帶寬取決于內(nèi)部的輸入濾波器帶寬。例如，使用500 ns輸入濾波器可以實(shí)現(xiàn)2 Mbps。對(duì)于ADuM1100，我們選擇了100 MBd的信號(hào)帶寬，仍比最快的光耦合器快2×。由于這些微尺度片上線圈之間的電感耦合的瞬時(shí)特性，輸入和輸出邏輯信號(hào)之間也保持了非常緊密的邊沿對(duì)稱性。ADuM1100在2 V工作電壓下邊沿對(duì)稱性優(yōu)于5 ns。隨著隔離系統(tǒng)帶寬的不斷擴(kuò)大，i耦合器技術(shù)將能夠應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，而光耦合器技術(shù)可能會(huì)陷入困境。表2總結(jié)了ADuM1100數(shù)字隔離器提供的i耦合器技術(shù)的現(xiàn)有性能特征。

除了耦合器技術(shù)提供的效率和帶寬改進(jìn)外，它還提供了比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品更強(qiáng)大、更可靠的隔離解決方案。由于許多數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中都存在高壓瞬變，因此隔離器防止瞬變影響邏輯控制器的能力非常重要。高性能光耦合器的瞬態(tài)抗擾度小于10 kV/μs，而ADuM1100的瞬態(tài)抗擾度優(yōu)于25 kV/μs。接收器輸入端由輸入-輸出瞬態(tài)引起的感應(yīng)誤差電壓由下式給出：

其中：

C是輸入線圈和接收器線圈之間的電容

R是底部線圈的電阻

dV/dt是瞬態(tài)的幅值

在ADuM1100中，頂部（輸入）線圈和底部（接收器）線圈之間的電容僅為0.2 pF，而底部線圈的電阻為80 Ω。因此，頂部線圈上25 kV/μs瞬變?cè)诘撞烤€圈上感應(yīng)的誤差信號(hào)僅為0.4 V，遠(yuǎn)小于接收器檢測(cè)閾值。i耦合器隔離器的瞬態(tài)抗擾度可以通過仔細(xì)選擇解碼器檢測(cè)閾值、接收線圈的電阻，當(dāng)然還有頂部和底部線圈之間的電容來優(yōu)化。

關(guān)于基于變壓器的隔離器，一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的問題是其抗磁能力。由于i耦合器采用空心技術(shù)，因此不存在磁性元件，不存在磁芯材料的磁飽和問題。因此，i耦合器基本上具有無限的直流磁場(chǎng)抗擾度。ADuM1100的交流磁場(chǎng)抗擾度限制取決于接收線圈（本例中為底部線圈）中的感應(yīng)誤差電壓足夠大，以錯(cuò)誤設(shè)置或復(fù)位解碼器的條件。底部線圈兩端的感應(yīng)電壓由下式給出：

其中：

β= 磁通密度（高斯）
N = 接收線圈的匝數(shù)
rn= 接收線圈中第 n 圈的半徑 （cm）

由于ADuM1100中接收線圈的幾何尺寸非常小，因此即使導(dǎo)線在1000 MHz時(shí)承載1 A電流，且距離ADuM1僅1100 cm，也不會(huì)產(chǎn)生足以誤觸發(fā)解碼器的誤差電壓。請(qǐng)注意，在強(qiáng)磁場(chǎng)和高頻的組合下，由印刷電路板走線形成的任何環(huán)路都可能產(chǎn)生足夠大的誤差電壓，以觸發(fā)后續(xù)電路的閾值。通常，PC板設(shè)計(jì)而不是隔離器本身是存在如此大磁瞬變的限制因素。

除了抗磁性外，i耦合器器件發(fā)出的電磁輻射水平也是一個(gè)問題。使用遠(yuǎn)場(chǎng)近似：

其中：

P = 總輻射功率
I = 線圈環(huán)路電流

同樣，考慮到線圈的幾何形狀非常小，即使該器件的工作頻率為50.0 GHz，總輻射功率仍小于5 pW。

ADuM130x/ADuM140x： 多通道產(chǎn)品

除了前面討論的許多性能改進(jìn)外，i耦合器技術(shù)在集成方面也具有巨大的優(yōu)勢(shì)。光干擾使得多通道光耦合器的實(shí)現(xiàn)非常困難?；趇耦合器技術(shù)的變壓器可以很容易地集成到單個(gè)芯片上。此外，一個(gè)數(shù)據(jù)通道可以在一個(gè)方向上傳輸信號(hào)，例如從頂部線圈傳輸?shù)降撞烤€圈，而相鄰?fù)ǖ揽梢栽诹硪粋€(gè)方向上傳輸信號(hào)，從底部線圈傳輸?shù)巾敳烤€圈。電感耦合的雙向特性使這成為可能。

ADI公司目前正在對(duì)ADuM130x/ADuM140x系列多通道產(chǎn)品進(jìn)行采樣，該系列產(chǎn)品由3種4通道和3通道產(chǎn)品組成，涵蓋所有可能的通道方向性配置。除了提供靈活的通道配置外，它們還支持隔離柵兩側(cè)的5 V和2 V工作電壓，并支持將這些隔離器用作電平轉(zhuǎn)換器。例如，一側(cè)可能為7.5 V，而另一側(cè)可能為5.2 V。在 –40°C 至 100°C 的所有溫度下，所有可能的電源配置都能保持 <> ns 的邊沿對(duì)稱性。在單個(gè)封裝中混合雙向隔離通道的能力使用戶能夠減小其系統(tǒng)的尺寸和成本。

ADuM1100使用兩個(gè)變壓器傳輸單通道數(shù)據(jù)。一個(gè)專用于傳輸表示信號(hào)前沿或更新輸入高電平的脈沖，另一個(gè)專用于傳輸表示信號(hào)下降沿或更新輸入低電平的脈沖。對(duì)于ADuM130x/ADuM140x產(chǎn)品系列，每個(gè)數(shù)據(jù)通道使用單個(gè)變壓器。圖140所示的ADuM4x共有四個(gè)變壓器。前沿和下降沿的編碼方式不同，編碼的脈沖組合在同一變壓器中;因此，接收器負(fù)責(zé)解碼脈沖，以查看它們是前沿還是下降沿。然后相應(yīng)地構(gòu)建輸出信號(hào)。

圖4.ADuM140x芯片照片

當(dāng)然，每個(gè)數(shù)據(jù)通道使用一個(gè)變壓器而不是每個(gè)數(shù)據(jù)通道使用兩個(gè)變壓器是有代價(jià)的。單變壓器架構(gòu)的傳播延遲較長(zhǎng)，因?yàn)樾枰~外的編碼和解碼時(shí)間。即使在 100 Mbps 的輸入速度下，帶寬的損失也幾乎不是一個(gè)因素。

圖5.使用四通道隔離器ADuM1401實(shí)現(xiàn)的SPI接口。

與ADuM1100相比，ADuM130x/ADuM140x使用專用變壓器芯片，與接收器集成電路分開。這種分區(qū)體現(xiàn)了i耦合器技術(shù)的易于集成。除了獨(dú)立的多通道隔離器外，i耦合器技術(shù)還可以與其他數(shù)據(jù)采集和控制IC嵌入，使隔離的使用更加透明。因此，在未來，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將能夠?qū)r(shí)間投入到改進(jìn)系統(tǒng)功能上，而不必?fù)?dān)心隔離。

圖6.使用4通道ADuM1401時(shí)，隔離SPI接口只需要三個(gè)元件，占用160 mm2.

總結(jié)

與傳統(tǒng)光耦合器相比，i耦合器產(chǎn)品在功耗、信號(hào)帶寬、魯棒性和易于集成方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，使其成為未來要求苛刻的隔離應(yīng)用的理想選擇。

審核編輯：郭婷