超低功耗开放高速隔离应用

长期以来，设计师一直认为隔离是一种必要的负担。这是必要的，因为它使任何人都可以安全地使用电子产品。这是一种负担，因为它限制了通信速度并消耗了大量的功率和电路板空间。旧技术的光耦合器甚至许多较新的数字隔离器消耗如此多的功率，以至于某些类型的应用并不实用。在本文中，我们将研究超低功耗隔离的最新发展，它与可用技术的关系，以及它是如何实现的。我们还将探索可以从这种新型设备中受益的几种应用。

大约45年前，现代光耦合器的问世是设计人员向前迈出的一大步。它们允许在电源控制电路中进行反馈，在通信中实现信号隔离以断开接地环路，以及与高端功率晶体管或电流监视器的通信。在1970年代，光电器件激增。这些影响了RS-232、RS-485等通信标准和工业总线（如4至20mA电流环路以及DeviceNet和PROFIBUS）的发展。由于隔离器件的限制，光隔离功能塑造了这些通信总线的许多特性。在接下来的20年里，隔离技术的变化在很大程度上是渐进的，直到2000年，第一个新的芯片级数字隔离器被引入。这些新器件基于通过芯片级变压器、GMR 材料以及后来的差分电容耦合进行的电感耦合。与旧的光耦合器相比，新技术能够实现更高的速度和更低的功率水平，但标准已经到位，由于现有的标准接口不需要，新器件的许多功能（如高速）尚未得到充分利用。®

数字隔离器使用标准封装和IC工艺来构建其编码和解码电子器件，使添加数字功能变得简单明了。低功耗、支持低电源电压和高集成度已成为非光隔离器的主要设计优势。将隔离提高到更高速度或更低功耗的创新将允许支持最苛刻的新接口标准。目前，数字隔离器的功耗虽然明显低于光耦合器，但需要降低两到三个数量级才能进入新的应用领域。到目前为止，高性能隔离一直无法实现这一目标。

比较技术

隔离设备性能的驱动因素是数据编码方案和用于传输数据的介质效率的组合。在本次讨论中，我们将重点关注决定功耗的方面。编解码方案大致可分为基于脉冲的边缘编码系统和电平编码系统。简单来说，基于电平的系统必须不断推动能量穿过隔离栅以保持显性输出状态，同时不发送任何能量穿过隔离栅来表示隐性输出状态。

在光耦合器中，光介导能量传输，与直接产生电场或磁场相比，光的效率较差，接收元件的检测效率较差。因此，基于晶体管或PIN二极管的简单光耦合器必须消耗大量能量产生光以将输出保持在导通状态，但接收器消耗的能量很少才能接收信号。这可以从表1中看出PIN二极管接收器光耦合器的功耗。平均而言，高输入电流和低输出电流是这种类型的光耦合器的特征。高速数字光耦合器通过向接收器添加有源放大功能，减少了维持状态所需的光量。这降低了LED所需的平均电流，但接收器的静态电流相对较大，因此功耗并没有真正降低 - 它已被推到接收器。降低所需功率需要提高LED和接收器元件的效率，或改变编码方案。这就是为什么光耦合器技术的进步长期以来一直是渐进式的。

 

科技	输入（毫安）	输出（毫安）
高速数字光电	2.5	8.5
高速引脚/晶体管光电	8	1.2
电容式数字隔离器	1.25	1
电感式数字隔离器	0.5	0.23
超低功耗电感式数字隔离器	0.01	0.01

 

在许多容性耦合数字隔离器中，该系统实际上类似于光耦合器。这种类型的器件使用高频振荡器通过一对差分电容器发送信号。振荡器与光耦合器的LED非常相似，消耗功率发送有源状态，关断以发送隐性状态。接收器具有有源放大器，在任一状态下消耗偏置电流。如表1所示，由于电容器的高耦合效率，总电流消耗明显优于光耦合器选项。应该注意的是，如果数字隔离器使用电感耦合而不是电容，则其功率电平将大致相同。在这种情况下，主要是编码方案设置最小功率电平，尤其是在低数据速率下。

图1所示的第二种编码方案由ADI公司基于i耦合器的数字隔离器（如ADuM140x系列）使用。在该方案中，在输入端检测边沿并将其编码为脉冲。对于ADuM140x，一个脉冲代表下降沿，两个脉冲代表上升沿。这些脉冲通过小型片上脉冲变压器耦合到次级脉冲。接收器对脉冲进行计数并重建数据流。脉冲本身具有鲁棒性，可以获得良好的信噪比，但宽度仅为1 ns，因此每个脉冲的能量很低。这有一个非常好的特性，即当没有数据变化时，状态保持在锁存器的输出端，几乎不消耗任何功率。这意味着功耗只是脉冲流中传递的积分能量加上一些偏置电流。随着数据速率的下降，功率线性下降，一直下降到直流。同样，降低功耗的是编码方案，而不是特定的数据传输介质，该方案可以在电容甚至光学系统中实现。®

图1.基于脉冲的编码。

脉冲编码方案不是低功耗的灵丹妙药。它的缺点是，如果输入端没有逻辑变化，则不会向输出发送任何数据。这意味着，如果由于启动顺序而存在直流电平差，则输入和输出将不匹配。ADuM140x通过在输入通道上实现刷新看门狗定时器来解决这种情况，如果超过1 μs未检测到活动，则重新发送直流状态。这种设计的结果是，一旦数据速率低于1 Mbps，这种编码方案就不再继续降低功耗。该器件实际上始终运行至少1 Mbps，因此低功耗不会继续下降。即便如此，与电平敏感方案相比，脉冲编码方案提供的平均功率较低，如表1所示。

突破低功耗封装

ADuM140x脉冲编码方案最初针对高数据速率进行了优化，而不是绝对最低功耗。这种编码方案在进一步降低功耗方面具有相当大的潜力，特别是在直流至1 Mbps频率范围内。此数据范围是大部分隔离应用（尤其是需要低功耗的应用）所在。基于4通道ADuM144x和2通道ADuM124x i耦合器技术的系列实现了以下创新。

该设计采用低压CMOS工艺实现

对所有偏置电路进行了审查，并在可能的情况下将偏置最小化或消除

刷新电路的频率从1 MHz降低到17 kHz

刷新电路可以完全禁用，以实现尽可能低的功耗

电流消耗与频率的函数关系如图2所示，与ADuM140x的比较。启用刷新后，ADuM1x的转速为140 Mbps，ADuM17x的转速为144 kbps，很容易看到刷新引起的拐点。ADuM144x在65 kbps时每通道的典型功耗可降低1倍，如果完全禁用刷新，则功耗降低约1000倍。

图2.VDDX = 144.140 V时ADuM3x和ADuM3x器件每通道的总电流消耗。

为什么这种功率的大幅降低有用？以下是传统光耦合器和数字隔离器边缘化或完全无法使用的三种应用。

4 mA 至 20 mA 隔离式回路供电现场仪表

环路供电的现场仪表的功率预算非常有限，因为所有功率都来自4 mA环路电流。幸运的是，环路通常提供足够的电压（通常为24 V），从系统中提取约100 mW。整个应用将使用约12 V的环路电压（4 mA）。在该预算范围内，一个简单的DC-DC转换器为隔离式传感器、模数转换器（ADC）和控制器供电。即使假设DC-DC转换器的效率相当高，电压降压为2：1，典型的传感器前端在4.3 V时也能<3 mA。环路侧的功率预算大致相同。主接口是发往ADC的SPI总线。隔离接口的每一侧都由环路供电，以及控制器的所有ADC和信号调理元件。表2显示了每种隔离技术的4线SPI总线的电流消耗。SPI 1是隔离的环路侧电流，SPI 2是所需的传感器侧电流。光耦合器在隔离接口的每一侧的功耗将是其数倍。电容式数字隔离器将消耗现场仪器的全部功率预算。ADuM1401是可能的，但即使仅支持ADC的单个SPI接口，系统其余部分的功率预算也很小。基于耦合器的新型超低功耗ADuM1441 i数字隔离器功耗极低，仅占功率预算的一小部分。该技术不仅允许应用在其功率预算范围内工作，还允许添加第二个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，如图虚线所示。超低功耗i耦合器技术实现了以前在隔离应用中无法实现的新功能。

图3.隔离式环路供电智能传感器前端，支持HART调制解调器。®

 

科技	SPI 1 （毫安）	SPI 2 （毫安）
高速数字光电	16	28
高速引脚/晶体管光电	25.2	11.6
电容式数字隔离器	4.75	4.25
电感式数字隔离器	1.73	1.19
超低功耗电感式数字隔离器	0.04	0.04

 

以太网供电 I2C 通信总线

以太网供电 （POE） 等电信类型应用从提供以太网电源的相对较高的电压轨获取电源。控制通信接口必须从隔离式DC-DC转换器或通过稳压器从–54 V总线电压获取电源。在图4的示例中，I的3.3 V通信接口2C 控制总线由 POE 控制器内部的稳压器生成。表3显示了运行I2POE 控制器侧的 C 总线接口以及 POE 控制器内部的功耗以支持每种技术。光耦合器解决方案将在芯片内耗散半瓦的热量，而芯片可能已经接近其热极限。每个接口都比较好一些，直到我们进入超低功耗ADuM1441，其功耗约为1 mW。这使得该接口成为该芯片的微不足道的热负载。即使功率没有在POE芯片内部调节，这种功率也非常低，以至于可以使用简单的齐纳二极管和电阻来提供合适的电源，从而节省组件成本和冷却负载。该技术简化了电源架构。

图4.POE，带隔离 I 的四端口控制器2C 和中断。

 

科技	UART @ 100 kbps （mA）	功耗（毫瓦）
高速数字光电	11.00	557.7
高速引脚/晶体管光电	9.20	466.4
电容式数字隔离器	2.25	114.1
电感式数字隔离器	0.73	37.0
超低功耗电感式数字隔离器	0.02	1.0

 

电池供电设备

使用超低功耗的第三个例子是支持长时间电池应用。用于家庭健康监测的血糖仪和脉搏血氧仪等医疗设备必须能够同时与患者接触并连接到非医疗级计算机。串行接口必须通电并准备好在连接计算机时唤醒设备，因此有源隔离器应成为待机电路的一部分。在这种情况下，使用ADuM1441的刷新禁用功能可使器件从电池消耗的电流小于4 μA。这个水平足够低，即使是纽扣电池也可以保持该待机电流多年。

图5.电池供电的医疗传感器。

ADuM1441的超低功耗还允许为隔离的计算机面供电。只需几μA电流即可操作该接口，串行接口中的状态线专用于为隔离器供电，因此无需专用电源。

表4显示了光耦合器的一些特性，以及在待机模式下工作时的各种数字隔离。请注意，如果选择适当的空闲状态，PIN/晶体管隔离器的待机电流实际上可以低至基于i耦合器的超低功耗产品。光耦合器的这一特性已用于在许多应用中产生低功耗待机。但是，一旦通信开始，功耗就会跃升至相对较高的水平，而ADuM1441解决方案并非如此。

 

科技	UART 10 kbps （mA）	UART 空闲 （mA）
高速数字光电	11.000	7.000
高速引脚/晶体管光电	5.330	0.001
电容式数字隔离器	2.250	1.350
电感式数字隔离器	0.730	0.730
超低功耗电感式数字隔离器	0.002	0.001

 

结论

ADI公司开发了基于脉冲编码i耦合器的数字隔离器的新版本，针对极低的功耗进行了优化。对该设备的修改并未损害设备的隔离能力，因为绝缘与我们的高隔离增强绝缘设备中使用的绝缘相同。信号完整性类似于过去 13 年来市场上的标准 i耦合器。这些器件旨在提供直流至 1 Mbps 范围内的极低功耗运行，随着数据速率的降低，功耗也会降低。这代表了一种技术，由于工作功率大大降低，可以隔离以前无法实现的接口。

审核编辑：郭婷