采用isoPower技術(shù)的iCoupler產(chǎn)品：利用微型變壓器隔離信號(hào)和電源

引言

出于安全和數(shù)據(jù)完整性考慮，通常需要在電路元件之間進(jìn)行隔離。例如，隔離可以保護(hù)系統(tǒng)端敏感的電路元件和人界面免受現(xiàn)場(chǎng)端存在的危險(xiǎn)電壓的損害，現(xiàn)場(chǎng)端駐留比較魯棒性的元件，例如傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隔離還可以消除影響數(shù)據(jù)采集精度的共模噪聲和接地環(huán)路問(wèn)題干擾。雖然可以采用傳統(tǒng)的光耦合器或ADI公司的iCoupler隔離器完成通過(guò)隔離阻障的數(shù)據(jù)傳送，但是主要的挑戰(zhàn)和共同難題是找到一種將電源從非隔離的系統(tǒng)端傳送到被隔離的現(xiàn)場(chǎng)端的方法。本文討論了通過(guò)采用ADI公司最新的iCoupler產(chǎn)品——集成的電源隔離和數(shù)據(jù)信號(hào)隔離新方法解決這個(gè)難題的技術(shù)背景。

迄今為止，經(jīng)過(guò)隔離阻障傳送電源一般需要兩種方法，一種方法是分立的DC/DC變換器，其尺寸相當(dāng)大、成本高而且隔離度不夠；另一種方法是定制的分立方法，它不僅體積大而且難于設(shè)計(jì)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(例如數(shù)據(jù)采集模塊)的應(yīng)用場(chǎng)合。

ADI公司最近推出了一種完整而且完全集成的隔離解決方案——采用微型變壓器經(jīng)過(guò)隔離阻障傳送信號(hào)和電源，解決了上述問(wèn)題。我們將iCoupler技術(shù)的擴(kuò)展稱為isoPower技術(shù)，是又一種創(chuàng)新的解決方案。在一顆單芯片內(nèi)提供信號(hào)和電源隔離功能，無(wú)需體積大、成本高、難設(shè)計(jì)的隔離電源，并且提供了高達(dá)5 kV足夠的隔離度。它可以顯著降低隔離系統(tǒng)的總成本、印制電路板(PCB)面積和設(shè)計(jì)時(shí)間。一種采用isoPower技術(shù)的雙通道iCoupler器件如圖1所示，其面積縮小90%，成本降低70%。

圖1 傳統(tǒng)方法與isoPower方法的成本和尺寸比較

采用isoPowe r技術(shù)的iCoupler隔離器件

集成的DC/DC變換器包括采用的變壓器開(kāi)關(guān)、整流二極管和最重要的變壓器。通過(guò)采用達(dá)300 MHz的高開(kāi)關(guān)頻率減小變壓器尺寸以便能夠?qū)⑵浔M可能整合在一個(gè)完整的隔離解決方案中。這與磁芯變壓器中采用的方法正好相反，在磁芯變壓器中磁芯的滲透率在高頻的時(shí)候開(kāi)始降低，從而導(dǎo)致明顯的磁芯損耗，降低效率。此外，磁芯還可能會(huì)折衷變壓器的額定隔離電壓。然而，無(wú)磁芯的iCoupler變壓器可以在更高的頻率下工作而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)要簡(jiǎn)單得多。

圖2  iCoupler變壓器線圈的截面圖 

iCoupler器件中所采用的微型變壓器構(gòu)造在CMOS襯底的上方。圖2示出了隔離變壓器結(jié)構(gòu)的截面圖，圖3示出了一張帶有電源和信號(hào)變壓器的管芯照片。通過(guò)為初級(jí)和次級(jí)線圈鍍了一層6mm厚的鍍金，將變壓器串聯(lián)電阻值減到了最小。初級(jí)和次級(jí)端之間的20mm厚的聚酰亞胺層提供耐壓高達(dá)5 kV的高壓(HV)隔離。底部線圈下面增加一層5mm厚的聚酰亞胺有助于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(shè)計(jì)帶圖案的接地屏蔽層可以進(jìn)一步降低襯底損耗。對(duì)于具有大的磁耦合系數(shù)的層疊式變壓器來(lái)說(shuō)，鄰近效應(yīng)和渦流是不需要太多考慮的問(wèn)題。線圈的設(shè)計(jì)可以通過(guò)優(yōu)化線圈參數(shù)來(lái)完成，例如線圈的匝數(shù)、印制線寬度和印制線間距。頂部線圈在300 MHz高頻時(shí)的品質(zhì)因數(shù)(Q)可能高達(dá)20，底部線圈可高達(dá)15。微型變壓器結(jié)構(gòu)的高Q值使得高效的電源傳送成為可能。

圖3  變壓器管芯照片示出了電源變壓器線圈和兩個(gè)數(shù)據(jù)變壓器線圈

數(shù)字信號(hào)的傳送是通過(guò)發(fā)送大約1 ns寬的短脈沖到變壓器另一端來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)連續(xù)的短脈沖表示一個(gè)上升沿，單個(gè)短脈沖表示下降沿。圖4示出了信號(hào)傳送的框圖。次級(jí)端有一不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測(cè)脈沖。如果檢測(cè)到兩個(gè)脈沖，輸出就被置為高電平。相反的，如果檢測(cè)到單個(gè)脈沖，輸出就置為低電平。采用一個(gè)輸入濾波器有助于提高噪聲抗擾能力。如果1ms左右沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)邊緣，發(fā)送刷新脈沖信號(hào)送給變壓器來(lái)保證直流的正確性。如果輸入為高電平，就產(chǎn)生兩個(gè)連續(xù)的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，就產(chǎn)生單個(gè)短脈沖刷新。為了補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)器端的刷新電路，在接收器端采用了一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器來(lái)保證在沒(méi)有檢測(cè)到刷新脈沖時(shí)輸出處于一種故障安全狀態(tài)。

圖4  數(shù)字信號(hào)傳送框圖 

采用類(lèi)似的微型變壓器傳送電源。因?yàn)樗鼈僉/R比很小，所以變壓器需要開(kāi)關(guān)在很高的頻率才能防止電流飽和并達(dá)到高效率。圖5示出了采用交叉耦合配置和變壓器形成持續(xù)振蕩實(shí)現(xiàn)的四個(gè)補(bǔ)充CMOS開(kāi)關(guān)的實(shí)例。優(yōu)化儲(chǔ)能元件的尺寸以便使能量傳遞效率最高。采用集成的肖特基二極管用作整流器件。對(duì)于300 MHz整流信號(hào)，這些二極管的導(dǎo)通和恢復(fù)速度足夠快。需要選擇二極管使它們?cè)谡髌陂g工作在肖特基區(qū)域。次級(jí)端的線性穩(wěn)壓器用于保證當(dāng)輸出負(fù)載或輸入電源變化時(shí)保持穩(wěn)定的輸出電壓。對(duì)許多低功耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)，效率是次要關(guān)心的問(wèn)題。為了提高效率并保證能量的調(diào)節(jié)，可以增加一個(gè)可選的反饋信號(hào)變壓器。反饋信號(hào)可以導(dǎo)通或關(guān)斷LC儲(chǔ)能元件，而不直接控制變壓器開(kāi)關(guān)。這種方法從根本上將能量調(diào)節(jié)與能量轉(zhuǎn)換分開(kāi)，從而支持高效的電源傳送并保證穩(wěn)定的電壓。

圖5 電源傳送框圖

關(guān)于開(kāi)關(guān)變壓器一個(gè)普遍關(guān)心的問(wèn)題就是電磁干擾問(wèn)題，尤其是對(duì)于開(kāi)關(guān)速率為300 MHz的變壓器。采用遠(yuǎn)場(chǎng)的近似值，

P = 160p6I2S(rn/l)4 ; n = 1,2,...,N

其中P =總輻射功率，I=線圈環(huán)路電流

300 MHz的波長(zhǎng)l約為1 m，半徑在0.5 mm范圍內(nèi)的變壓器還是一個(gè)具有小r/l的極弱的天線。據(jù)估計(jì)，即使器件工作在300 MHz，環(huán)路電流為350mA的情況下，總的輻射功率仍然不到500pW。近場(chǎng)輻射隨著與變壓器距離的增大而迅速降低。片內(nèi)變壓器之間只有在距離很小時(shí)才會(huì)出現(xiàn)緊耦合，在我們的例子中是20mm。

應(yīng)用實(shí)例：次級(jí)控制電源ADuM5242

隨著新型電源向低電源電壓、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和電源與負(fù)載之間有更多系統(tǒng)交互的方向發(fā)展，次級(jí)控制體系結(jié)構(gòu)得到了發(fā)展。采用次級(jí)控制取代初級(jí)控制有兩個(gè)主要困難。第一個(gè)困難是需要高性能的數(shù)字隔離取代模擬隔離。通常采用一種低成本的模擬光耦合器在初級(jí)端控制將模擬反饋誤差信號(hào)從系統(tǒng)的次級(jí)端發(fā)送到初級(jí)端，同時(shí)可能需要一個(gè)高成本或大體積的數(shù)字耦合器為采用次級(jí)控制的系統(tǒng)發(fā)送PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離阻障。

第二個(gè)困難是系統(tǒng)啟動(dòng)之前在次級(jí)控制器端對(duì)電源的需要。初級(jí)控制器就沒(méi)有這樣的問(wèn)題，因?yàn)樵诔跫?jí)端總有可提供的電源。解決次級(jí)控制啟動(dòng)問(wèn)題主要有兩種方法。一種方法就是增加一個(gè)輔助電源專(zhuān)用于次級(jí)控制器的啟動(dòng)。另一種方法就是在初級(jí)端有一個(gè)專(zhuān)用的啟動(dòng)器件以便為了啟動(dòng)次級(jí)端控制器在次級(jí)端建立初始偏置電壓。

ADI公司的ADuM5242雙通道的數(shù)字隔離器，具有50 mW的隔離輸出功率，是一種解決啟動(dòng)問(wèn)題的理想解決方案。這種8引腳SOIC封裝的器件提供兩個(gè)信號(hào)隔離通道，支持高達(dá)10 Mbps的PWM信號(hào)，還有一個(gè)用于次級(jí)控制器啟動(dòng)的5 V，10 mA隔離電源。一旦系統(tǒng)啟動(dòng)后，用戶可以選擇禁止這個(gè)電源。這種禁止功能是通過(guò)監(jiān)視輸入電源電壓實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸入電源電壓降至4 V以下時(shí)，圖5中所示的反饋控制開(kāi)關(guān)就會(huì)斷開(kāi)。圖6是在次級(jí)控制系統(tǒng)中采用ADuM5242的應(yīng)用實(shí)例框圖。兩個(gè)數(shù)字信號(hào)通道提供具有同步整流的次級(jí)控制器的反饋信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)初級(jí)端的半橋式驅(qū)動(dòng)器。

圖6  采用基于isoPower技術(shù)的 ADuM5242的次級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

與ADuM5242一起還推出兩種其它的數(shù)據(jù)通道配置。ADuM5240有兩個(gè)隔離的輸出通道，而ADuM5241有一個(gè)隔離的輸出通道和一個(gè)隔離的輸入通道。這就為支持各種不同應(yīng)用提供了靈活性。ADuM524x產(chǎn)品還可以與其它的多通道iCoupler器件配合使用以便配置更多的隔離信號(hào)通道。

結(jié)語(yǔ)

采用isoPower技術(shù)的 iCoupler解決方案在單芯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(guò)光耦合器的先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)隔離方法，而且它還無(wú)需分立的隔離電源。iCoupler技術(shù)提供了無(wú)與倫比的功能集成的可能性，可以顯著地降低復(fù)雜程度、尺寸以及隔離系統(tǒng)的總成本。