從典型案例看數(shù)字隔離與傳統(tǒng)隔離解決方案的技術(shù)抉策

圖3:某知名企業(yè)的四通道光耦合器件(左圖)與ADI四通道iCoupler（右圖）的封裝尺寸對(duì)比。

廣泛的產(chǎn)品系列為此類應(yīng)用提供了更具針對(duì)性的選擇。業(yè)界具有大量應(yīng)用的ADI公司電磁流量計(jì)參考設(shè)計(jì)中就采用了1kV四通道數(shù)字隔離器ADuM7441實(shí)現(xiàn)基本的電氣隔離。與大部分四通道隔離器采用16引腳SOIC寬體封裝不同，該器件采用小型16引腳QSOP封裝，相比之下可節(jié)省幾乎70%的電路板空間，卻仍能耐受高隔離電壓，并且符合UL和CSA標(biāo)準(zhǔn)（正在申請(qǐng)中）等法規(guī)要求。此外，ADuM7441功耗極低，在高達(dá)25Mbps的數(shù)據(jù)速率下，其功耗僅為同類隔離器的十分之一至六分之一。如果設(shè)計(jì)需要2.5kV的隔離等級(jí)，還可以選擇雙通道數(shù)字隔離器ADuM320x或四通道數(shù)字隔離器ADuM140x，此兩個(gè)系列的數(shù)字隔離器同樣基于ADI公司iCoupler技術(shù)，同樣具有卓越的低功耗特性，非常適合電池供電的電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)。

電力計(jì)量中，iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)同樣形成了對(duì)傳統(tǒng)光電耦合器的替代趨勢(shì)。兼容直流的電流互感器一直用于檢測(cè)智能電表中的交流電流，但它有一些缺點(diǎn)，而且很昂貴。對(duì)于某些應(yīng)用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因?yàn)樗鼉r(jià)格低廉、具有高線性度并且抗磁場(chǎng)干擾。然而，分流電阻不具有電流互感器所固有的電氣隔離特性。在要求隔離的智能電表中，采用隔離電源技術(shù)的數(shù)字隔離器與分流電阻結(jié)合可提供一種良好的解決方案。iCoupler數(shù)字隔離器由于性能優(yōu)于傳統(tǒng)的光耦合器，并且支持多種串行通信(SPI、I2C或UART)，獲得電力計(jì)量企業(yè)的大量采用。ADI在2012年更專為三相電能計(jì)量應(yīng)用而推出了集成ADI公司的iCoupler和isoPower專利技術(shù)的一款3通道、Σ道、型ADC術(shù)的一款能計(jì)量應(yīng)用，通過額定5kV的隔離勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)隔離信號(hào)傳輸和DC-DC電源轉(zhuǎn)換，從而可使用分流電阻傳感元件，而非電流互感器，大大降低成本而且不受磁場(chǎng)干擾和竊電篡改的影響。

二、醫(yī)療應(yīng)用，iCoupler解決安全至關(guān)重要的隔離需求

IEC-60601-1、EN 6061-1-2和UL 6061-1等系列標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)于醫(yī)療電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)觸電危害防護(hù)要求有明確的規(guī)定，隔離技術(shù)的應(yīng)用是滿足這些標(biāo)準(zhǔn)要求的關(guān)鍵。為滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，安全通信解決方案領(lǐng)域全球領(lǐng)先企業(yè)Lantronix就在其新型EDS-MDn多端口醫(yī)療設(shè)備服務(wù)器的每一個(gè)端口都采用了iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)其電流隔離。EDS-MD的電流隔離功能可為諸如此類連接設(shè)備提供最高等級(jí)的安全性，有助于確保將接地故障、功能故障等限制在單個(gè)端口，避免影響EDS-MD本身或者其他連接設(shè)備的完整性或可用性。

借助這些隔離器，Lantronix的設(shè)計(jì)工程師們得以增加隔離通道的總數(shù)，最終使數(shù)據(jù)速率和時(shí)序規(guī)格比基于光耦合器的設(shè)計(jì)提高了4倍。通過放棄體積較大的光耦合器和其他額外的外部元件，Lantronix的設(shè)計(jì)師們還降低了系統(tǒng)尺寸、提高系統(tǒng)集成度，同時(shí)降低了整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。與競爭產(chǎn)品相比，EDS-MD元件數(shù)的減少使電路板總空間降低了40%，進(jìn)而有助于護(hù)理點(diǎn)節(jié)省寶貴的床邊空間。iCoupler數(shù)字隔離器的功耗比光耦合器最多低90%，為Lantronix的EDS-MD設(shè)計(jì)工程師帶來了更大的設(shè)計(jì)靈活性，使其可以輕松實(shí)現(xiàn)功耗目標(biāo)。

圖4：Lantronix新型EDS-MDn多端口醫(yī)療設(shè)備服務(wù)器。

類似的應(yīng)用還有很多——中國最大的醫(yī)療器械制造商之一的北京超思電子在其全功能病人監(jiān)護(hù)儀MMED6000DP系列產(chǎn)品中，同樣舍棄一直沿用的光耦器件而采用了iCoupler數(shù)字隔離產(chǎn)品。iCoupler和isoPower技術(shù)組合為MMED6000DP提供了最佳的隔離平臺(tái)，使該監(jiān)護(hù)儀在滿足5kV的隔離等級(jí)條件下，性能、集成度、成本和尺寸多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)光耦隔離方案的全面超越。

三、高集成度、小尺寸優(yōu)勢(shì)滿足高密度航空應(yīng)用

衛(wèi)星的電源系統(tǒng)至關(guān)重要，任何故障都有可能給航天器造成嚴(yán)重?fù)p壞，使其無法完成任務(wù)。西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)PowerSCOE項(xiàng)目就是這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)每個(gè)通道都包含輔助模擬輸入及數(shù)字和模擬輸出，因此最大的挑戰(zhàn)是要確保100個(gè)通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數(shù)字I/O，面對(duì)如此高的PCB密度，傳統(tǒng)的光耦合器和DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案已無能為力。

該系統(tǒng)最終采用了ADI公司高度集成的iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)。集成隔離式isoPower DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字隔離器基于iCoupler技術(shù)，在5.0 V電壓（5.0 V輸入電源）或3.3 V電壓（3.3 V或5.0 V輸入電源）下，隔離器集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供最高500mW的隔離穩(wěn)壓電源。iCoupler芯片級(jí)變壓器技術(shù)提供隔離電源并用于隔離四通道的邏輯信號(hào)，低功耗隔離設(shè)計(jì)中無需使用分立的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此，與光耦合器和分立解決方案相比，這種解決方案所用的器件更少，尺寸更小，成本效益更高。

利用高度集成的數(shù)字隔離器，西門子航空航天業(yè)務(wù)集團(tuán)的設(shè)計(jì)工程師得以提高一個(gè)控制模塊所容納的隔離數(shù)據(jù)端口數(shù)量，而無需加大模塊尺寸，即使每個(gè)端口都需要自己的隔離電源。PowerSCOE保護(hù)板具有170個(gè)iCoupler器件。如果使用其它解決方案，如光耦合器