超低功耗应用中的隔离

XJzy

光电耦合诞生于大约45年前，大约在同一时期亦诞生了很多标准通信协议，比如RS-232、RS-485、DeviceNet，以及4-20mA电流环路。光耦合器的出现，即首款封装隔离器，这些通信方案的发展是相辅相成、互相促进的。它们互相吸取了对方的优势。自此以后，多年的创新工程与不懈的努力改进，使得光耦合器得以在大量应用中大显身手。然而，新的隔离技术在过去十年中逐渐崭露头角。为了满足最新应用的要求，新技术相比以前的光耦合器技术具备很大的优势。新隔离器可用在速度更高、功耗更低的应用中应用。

新应用领域

目前，数字隔离器能以高出以前光耦合器5倍或6倍的速度工作。 最终，ADI的产品可能能够以高几个数量级的数据速率工作。以下应用对功耗有所要求：4-20mA现场仪器仪表、电信和电池供电设备。这些应用同样推动隔离接口的功耗向降低几个数量级的方向发展。

当前技术

决定隔离器电气性能的因素有哪些？可以将一个隔离器拆分成四个独立的部分。

首先是一个数据编码方案。它可以是一个电平编码；该方案在某个主动状态期间产生一些场，这个场将在主动状态期间不断推动光或RF信号传输，然后只需在被动状态期间将其关断，便能以这种方式得到一个1和0编码信号。另一种方法是采用脉冲编码。脉冲编码利用极短脉冲的极性或脉冲序列，将信息从隔离栅的一侧传输到另一侧。

下一步是发送数据。这里重要的是建立信号的效率。当采用光学系统时，光就是信号，因此是用LED来建立信号。LED的效率决定了信号的效率。效率取决于磁场（感性耦合）或电场（容性耦合）。对于感性耦合而言，必须产生高电流，才能建立良好的磁场。而采用电场时，只需对小电容的平板充电即可。磁场感性耦合的发送端功耗略高，而接收端的功耗略低。电场倾向于在发送端具有较低的功耗而在接收端具有较高的功耗，这是因为它们需要极为密切地监控信号电平，从而具有较高的放大倍数。

图1 数字隔离器采用开关键控制

图2 数字隔离器采用脉冲编码方案

因此，对于光耦合器来说，就有一个接收器效率问题。光电晶体管或PIN二极管被动接收光，并允许电流流动。芯片级电感的功耗极低。它只是从原边接收能量。可将其直接输入下一个分析级，无需过多放大。利用电场的容性耦合需要放大和信号处理，因此功耗可能更高。然后，最终步骤是数据解码开销，那就是放大器偏置；或者当采用脉冲编码时，不会有什么功耗代价。但它会以时间为代价，因为可能需要对脉冲进行帧处理，以及诸如此类的问题。

编码方案，首先是开关键控，其本质上是电平敏感型编码方案，其耦合场在整个主动状态期间存在，而在被动状态期间缺失。该方案可采用光学部署，也可采用光耦合器、容性或感性耦合器、脉冲编码中的RF方式部署。在这些情况下，场存在于极短脉冲或脉冲序列中，然后在副边接收并解码数据，并锁存到触发器，并保留直到接收新边沿。基本上，它对边沿（而非电平）进行编码，然后从原边发送到副边，并锁存入触发器。可以通过容性和感性方案实现该操作，而采用光学方案并不现实。

耦合场同样是光，编码方案始终采用开关键控。它们的工作方式如下：原边LED发出光，然后某种介质（比如半透明环氧树脂或其他材料）用作绝缘，然后在接收器这边，可以针对极低端光耦合器使用光电晶体管，也可针对较高端光耦合器使用PIN二极管。

促使实现光耦合器功能的是电流传输比，这在极低光电晶体管类光耦合器中有，但在较高速器件中是看不到的。几乎所有的光耦合器属性都能归结于这个电流传输比。它本质上是一种权衡取舍。如需更高速度，就会花费更多功耗以便让信号跨越隔离栅传输，并尽可能快速地对接收器充电，如需极低功耗，可极为缓慢地执行操作，降低功耗。

改进光耦合器的方法是采用效率更高的LED，这对原边和副边来说都有好处。可加厚光电晶体管的基极，从而提高接收器电容并使其速度变慢；因此可通过这种方式获得极低功耗，但速度也极低。可以使用PIN二极管，它们非常快、电容很低，但同样接收光的能力非常差，且若要获得较好的吞吐速率则需在LED上耗费大量功耗，要么PIN二极管的输出需要放大很多倍。光耦合器使用开关键控，因为它们无法以足够高的速度开关或创建足够短的脉冲，来实现脉冲编码。

另一方面，数字隔离器可以使用开关键控，如图1所示。实现方法是：开关RF振荡器，对输入信号进行高电平和低电平编码，然后通过一对差分电容对其进行耦合。它将输入差分接收器，且存在振荡时驱动输出至高电平，而不存在时驱动至低电平，这样可以得到非常好的传播延迟性能。

差分接收器具有良好的噪声免疫性能，同时高频下的功耗性能相当出色。然而，它们低频下的功耗非常高，基本上，存在一个下限，不可再低于此下限值，因为接收器必须始终偏置，以便随时根据发送器的开关状态而以极快的速度开关，它们有很多优良的特性，但用来降低功耗则不太合适。

另一方面，数字隔离器采用脉冲编码，且通常可以使用感性或容性耦合，如图2所示，采用感性耦合。基本上，随着输入改变边沿，即如果得到一个上升沿，就将其编码为双脉冲，它将把下降沿编码为单脉冲，还能使用脉冲极性，但本例中采用脉冲序列。然后那些脉冲将被编码为鲁棒性较高的电流脉冲，宽度约为1ns，高度可能为70mA。 那些脉冲通过线圈发送。实际上，它依然是极低功耗编码，因为虽然信号高度为70mA，但它仅有1ns宽，因此该编码方案的平均功耗极低。这些脉冲通过电感发送，它们在副边接收并进行窗口化处理，然后锁存入输出端，以便重建输入脉冲串。这类方案的特点是低数据速率时的功耗极低，因为功耗主要与脉冲高度有关，即曲线下方的脉冲区域。它具有高共模抗扰度、低传播延迟以及高数据速率，与其他方案类似。若在接收器端采用单端施密特触发器，则可实现极低静态电流。

图3 纠错/故障安全电路

一脉冲二脉冲编码方案的特性：

?低数据速率下具有极低的功耗

?高共模抑制能力

?低传播延迟

?高数据速率

?单端施密特触发式接收器支持低静态电流

如果由于上电或某种电源瞬变事件导致失配，从而改变输出锁存状态，则输入和输出的状态可能有所不同，并且将保持这种状态，直到新数据将其改变。对于边沿编码方案，通常添加一个刷新电路，对输入直流电平进行采样，并将其周期性发送到输出端，以纠正输入和输出之间的任何直流失配，如图3所示。通常以大约1μs的间隔执行此操作。此外，输入端还有一个毛刺滤波器，防止极短的脉冲，短到系统无法响应的脉冲，进入前端从而使线圈传输不可预知的数据。

在接收端，可针对脉冲部署看门狗等器件，如果脉冲串消失，换言之，如果在最小数据速率下都没有接收数据，那么接收器电路就知道输入端没有在发送数据，于是会将输出端置于默认状态下，所有这一切同样会产生开销。它所做的就是形成一个脉冲编码下限，从而哪怕脉冲编码方案也能看到最低量的电流。

图4 三种技术比较

图5 该新系列隔离器的功耗曲线比较

如图4所示，比较这三种技术，可以发现光耦合器（最上面的红色曲线）在数据范围的中间部分下降，因此这是一个典型的单晶体管光耦合器。整个数据速率范围内的功耗其实非常高，并且随着数据速率的上升而升高的非常快。其他类型的光耦合器可以降低此功耗，但同时也会将可用的数据速率降低至极低的水平，此处所举的例子在两者之间取得平衡。另外还有高数据速率的光耦合器，它们的功耗曲线倾向于沿图4的最上方变化。

下一条曲线表示开关键控数字隔离器，如图4所示，它十分平坦，且工作时最小功耗远低于光耦合器，但依然处于一个较高的水平。第三条曲线（绿色）表示的是脉冲编码数字隔离器，可以看到在低频时它的功耗很平坦，因为器件内部依然每μs都会发送数据，因此它基本上工作在稳定的速率下，直到输入数据的速度超过刷新速度，随后它就不再是线性的了，可以发现动态电流。

那么该如何选择呢？为了实现新的应用类型，功耗水平必须远低于这三种选项，虽然我们向这一目标有所接近，但仍然处于同一等级。理想的低功耗隔离器应当是平坦的，或者是不断下降直到零的。它将具有超低功耗，低于当前器件两到三个数量级。它将保留隔离器的全部良好特性，即噪声抗扰度、共模瞬变抗扰度，以及正常工作所需的全部隔离。

应当选择何种技术？在提到的这些技术中，脉冲编码方案具有低至1Mb频率范围的最佳性能。开关键控往往需要大量功耗来保持主动状态，因此实际传输数据时，它将消耗大量功耗，并且对此将无能为力。光传输速度过慢，无法进行脉冲编码，不予采用，光学方案无法用于降低功耗。

图6 4-20mA应用电路

如果重新设计毛刺滤波器并尽可能消除电路中的所有偏置，那么脉冲编码就有可能大幅提升性能。放宽热补偿要求，一般而言，不要进行极为紧凑的热补偿设计，可以降低功耗。此外，如果降低刷新频率，便能让拐点位置下移，使功耗变得平坦。最后，如果允许完全关闭刷新，那么事实上随着频率的下降，可让器件的功耗变得越来越低。

ADI公司推出了新的数字隔离器产品系列：ADuM144x和124x，可满足上述全部要求。提供多方向通道配置的2/4通道产品，基本上涵盖每种通道数量的全部通道配置。它们采用低功耗设计，工作电压范围为2.25V~3.6V，工作温度高达125℃，且在工作温度范围内性能不会下降。这些产品的数据速率高达2Mbps，并具有ADI多年来早已实现的CMTI性能以及更小的封装尺寸，其数字隔离特性一如ADI过去销售的十亿通道的隔离产品。

综合这些产品的性能，再次对比它们的技术。如图5所示，如果加入该新系列隔离器的功耗曲线，那么可以看到，在动态电流占主导的地方，这些新的隔离器由于降低了所有内部偏置，因此得以降低每通道大约0.2mA的功耗。然后，通过将刷新速率降低至大约17kbps，每通道范围内的动态电流便可扩展至最低5μA。低于17kbps处，这些器件每通道功耗仅5μA。因此，这些产品相比目前市场上较佳的隔离器，其功耗下降了两个数量级。

然而，也可以禁用刷新电路，该电路仅在校正误差或启动时才起作用。可以在不提供刷新的情况下想办法完成任务，这样可让动态电流一路下降至大约100Hz范围内，从而得到低于4kHz、每通道功耗远低于1μA的性能。这要比前面提到过的还要低三个数量级。

应用示例

这个突破性的产品，它的功耗低三个数量级，能用它来做什么呢？什么类型的应用需要超低功耗？4-20mA电流环路、环路供电型传感器，其实就是隔离式通信，比如RS232等需要在电缆远端实现隔离的应用。如果应用的功耗在此范围内，那么可以在电流的数字逻辑电平上实现整个接口，或者如电池供电型应用那样具有固定量的电能，并运行一段特定的时间。没有人希望隔离接口不工作时也始终消耗电能，进而耗尽电池。

另外一些超低功耗有用的地方有：获取电能的成本较高，无论是元件或是散热方面。散热意味着必须引入冷却机制，对于少量功耗来说，添加其他元件，比如开关调节器或DC-DC转换器，是一种代价高昂的解决方案。超低功耗接口可让您减少现有高压总线上的功耗，而几乎没有任何功耗代价。

隔离式环路智能传感器前端供电型4-20mA应用，电路图如图6所示。

通常，需读取左侧输入ADC的传感器或输出电压信号，这部分的功耗可以做到非常低。在图6右侧，有一个24电流环路，环路上的一切都有4mA功耗预算，环路上始终存在4mA，因此该功耗可用来运行电子器件。通常，环路控制器（图中显示的是DAC接入环路中）允许从环路获取3V~9V电压以供使用。它需要少量电源才能运行自己的DAC，调制环路电流。

在现代应用中，数字DAC与SPI接口一同使用。通常，这种组合需要四个通道，才能将信号回传至DAC。因此，可以使用3V~9V构成一个成本极低的隔离式电源。通常可在输入端使用高压，并将其逐步调低，这样会增加器件左侧或隔离栅左侧的可用电流，能以非常高的效率获得跨越隔离栅的中等量的电源。 问题在于隔离，就当前的技术而言，哪怕只是采用降压变压器后可跨越隔离栅获得的电源量，通常隔离栅也会消耗接口提供的几乎所有电源。

应用的关键在于把环路中的电能分配给隔离式传感器。如果采用降压DC-DC，并向传感器提供最优电源，那么一个简单的设计就能提供70%的效率，基本上就是在副边采用振荡器、变压器和LDO而已。假设有一个2:1降压调节器，效率为70%，输入电压为6V，那么输入DC-DC的电流为2mA。隔离侧的最大功耗大约为2.5V和2.8mA。 如果假定SPI工作在大约100kbps，这在4-20mA电流环路中是非常普遍的信号保真度。那么基本上，此SPI数据速率会限制所需电源。那么，SPI的隔离接口则消耗其余所有电源。如果可提供更多电源，设计人员就会希望提高SPI的工作频率，以获得更佳的保真度，或者为数字控制添加HART调制解调器功能。HART是一种数字系统，工作在4-20mA电流环路的最顶端，允许低频数字命令随4-20mA模拟信号一同送出。

如果需要搭建一个包含HART应用的系统，就需要探讨光耦合器，光耦合器的部分特性是晶体管类型以及高速器件类型，使用开关键控的容性数字隔离器、使用脉冲编码的感性数字隔离器，然后是ADI公司提供的新超低功耗器件。

使用光耦合器的SPI接口需要28mA电流，以便工作在100kbps。 该电源是没有办法提供的。事实上，无论是数字还是光耦合器，功耗都远远超过10mA。 容性开关键控器件接近这个数字。有4mA可以用来运行SPI总线和HART串行接口，但它依然是一侧所需的全部功耗预算的1.5倍，因此将不得不耗尽一切，近乎两倍之多。

如果考察采用脉冲编码的数字隔离器，那么将正好处于边沿上，这些系统是可以实现的，但它们的裕量极少。如果考察100kbps时的超低功耗，则隔离接口仅需0.01mA。换言之，它现在是整个功耗预算中微不足道的一部分了，这意味着现在设计人员可以让ADC工作在高得多的数据速率下，改善4-20mA电流环路的保真度，而之前却几乎无法在所需的数据速率下让数据通过。

电池的电能有限，电池会耗尽，然后就必须充电或替换。处理这类系统中的隔离通常涉及到电源管理。很多情况下，这类系统的控制器有时候将不得不完全关闭隔离接口，这是非常棘手的，因为很难知道何时再次开启。它们还经常会发出脉冲，只是为了检查是否接入了任何器件，这将消耗大量电能。另一个策略是在开关键控等隔离器未工作时使其处于相应状态，避免消耗过多电能。通常只需使它们在最小零频率功耗状态下运行，然后接受这一结果。一种更好的办法是使用隔离接口，它的功耗极低，因此无需操心电源管理问题。

图7 医疗监护仪

有一个专利的医疗监护仪示例，如图7所示，它将周期性通过UART连入电脑。为了安全起见，需要进行隔离，以便使不受控制的计算机不会意外地向病患注入电流，微控制器会处理隔离接口的全部电源管理。该例中，如果分析采用1442这类器件的接口，那么可以实现使电池长时间供电等这类优势，因为静态功耗几乎为零，并且UART的工作无需依靠专用电源线路，只需从数字电路获取电能即可。再次比较此处功耗，可取一枚常用的纽扣电池作为电源，比如CR2032。

采用隔离式UART时的电池寿命如表1所示。这种CR2032纽扣电池的容量一般是225mAh。如果计算运行一个四线式数字接口所需的功耗，则假设它的活跃时间是1%，并且活跃时需要以大约10kbps的速率运算数据，大家可以自行计算接口耗尽电池电能的总时间。如果是数字光耦合器的话，那么32个小时就会耗尽电池。如果是PIN二极管或光电晶体管型光耦合器，可以把它们置于被动状态，实现极低的功耗和4000小时工作时间，看上去很不错，电池可以工作4000小时，实际应用会消耗掉一部分这些电源，但ADI依然有办法应付。

表1 采用隔离式UART时的电池寿命

如果是数字隔离器，那么工作时间是166小时,虽然并非十分理想，但至少它们速度快，而且比高速光耦合器好很多。感性耦合器，它们比容性耦合器要好一点，但也只是好两倍而已。如果我们采用最新的ADuM 144x系列来构建接口，那么功耗将下降到如此程度，即电池寿命从4000小时一跃而为24000小时，也就是大约28年。在这种功耗水平下，可以将电池当成永久而不用替换的。

以太网供电应用始终通过I2C控制接口，实现实际POE控制器芯片与网络路由器等设备之间的对接。POE控制器直接采用-42V电源供电，该电源是以太网电源。然而，控制接口通常工作在最高3.3V，且以负电源为基准，因此很多控制器芯片会集成内部LDO并提供1mA~2mA电能，以便从42V总线获得3.3V总线电压。问题在于，哪怕几个3mA对总线来说都是大量的功耗，因为大部分功耗以热量的形式浪费了。仅仅是为了得到几mA而降至3.3V，就会浪费从42V总线上获取的电源的95%。另一种方案是在42V总线上使用开关调节器。它们成本较高，使用隔离式DC-DC并从原边为该低压控制总线供电，但同样成本较高且元件数较多。

POE四端口控制器的应用如图8所示。用于I2C总线的以太网供电实际上是隔离的，因此它们传输的信号是单向的。它对于采用我们的四通道隔离器产品来完成设计而言是很方便的。只需在其副边额外使用一个缓冲器，将数据输入和数据输出信号重新组合即可。这里我再次回顾了所有这些技术，过此接口传输了一个100kb I2C信号，该功耗转换为驱动这些电路的POE控制器上消耗的一定热量。如果使用高速光耦合器，那么POE芯片功耗将接近0.5W，而大部分设计人员都不会愿意针对此功耗设计冷却方案，甚至高速PIN或晶体管型光耦合器都会产生大量功耗。

而对于容性开关键控，情况则稍有好转。感性，甚至更好，而新超低功耗产品，ADI实现了从0.5W到降低至1mW！这样的总线功耗足够低，可以直接使用POE控制器。如果POE控制器内部不完成此操作，可以采用齐纳二极管和电阻来吸取电源，且功耗较低。这样便能实现一个非常好的组合，允许使用成本不高的现有元器件。

图8 POE四端口控制器的应用和功耗比较

结论

综上所述，新的124x和144x器件降低了这些数字隔离器如此之多的功耗，以至于之前勉强可实现，甚至完全不可实现的应用现在都能轻松实现。这些器件可在直流到高达2Mbps的范围内实现这些性能,该范围内已有大量低功耗应用，并且还将不断扩充。很多这类低功耗应用的工作频率低至kHz范围内，因此哪怕在低功耗水平，这些器件的工作范围也要宽得多。这些隔离器具有与较老的iCoupler器件相同的隔离性能，并且可以满足相同的安全要求。