從典型案例看數(shù)字隔離與傳統(tǒng)隔離解決方案的技術抉策

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）的封裝尺寸對比。

廣泛的產(chǎn)品系列為此類應用提供了更具針對性的選擇。業(yè)界具有大量應用的ADI公司電磁流量計參考設計中就采用了1kV四通道數(shù)字隔離器ADuM7441實現(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標準（正在申請中）等法規(guī)要求。此外，ADuM7441功耗極低，在高達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。如果設計需要2.5kV的隔離等級，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，此兩個系列的數(shù)字隔離器同樣基于ADI公司iCoupler技術，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的設計。

電力計量中，iCoupler數(shù)字隔離技術同樣形成了對傳統(tǒng)光電耦合器的替代趨勢。兼容直流的電流互感器一直用于檢測智能電表中的交流電流，但它有一些缺點，而且很昂貴。對于某些應用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因為它價格低廉、具有高線性度并且抗磁場干擾。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)，獲得電力計量企業(yè)的大量采用。ADI在2012年更專為三相電能計量應用而推出了集成ADI公司的iCoupler和isoPower專利技術的一款3通道、Σ道、型ADC術的一款能計量應用，通過額定5kV的隔離勢壘實現(xiàn)隔離信號傳輸和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干擾和竊電篡改的影響。

二、醫(yī)療應用，iCoupler解決安全至關重要的隔離需求

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

借助這些隔離器，Lantronix的設計工程師們得以增加隔離通道的總數(shù)，最終使數(shù)據(jù)速率和時序規(guī)格比基于光耦合器的設計提高了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的設計師們還降低了系統(tǒng)尺寸、提高系統(tǒng)集成度，同時降低了整體設計的復雜性和成本。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%，進而有助于護理點節(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設計工程師帶來了更大的設計靈活性，使其可以輕松實現(xiàn)功耗目標。

圖4：Lantronix新型EDS-MDn多端口醫(yī)療設備服務器。

類似的應用還有很多——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技術組合為MMED6000DP提供了最佳的隔離平臺，使該監(jiān)護儀在滿足5kV的隔離等級條件下，性能、集成度、成本和尺寸多個方面實現(xiàn)對光耦隔離方案的全面超越。

三、高集成度、小尺寸優(yōu)勢滿足高密度航空應用

衛(wèi)星的電源系統(tǒng)至關重要，任何故障都有可能給航天器造成嚴重損壞，使其無法完成任務。西門子航空航天業(yè)務集團PowerSCOE項目就是這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)每個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個通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數(shù)字I/O，面對如此高的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。集成隔離式isoPower DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字隔離器基于iCoupler技術，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芯片級變壓器技術提供隔離電源并用于隔離四通道的邏輯信號，低功耗隔離設計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)務集團的設計工程師得以提高一個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，即使每個端口都需要自己的隔離電源。PowerSCOE保護板具有170個iCoupler器件。如果使用其它解決方案，如光耦合器