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出于安全和/或数据完整性考虑，通常需要电路组件之间的隔离。 例如，隔离保护系统侧的敏感电路组件和人机界面免受现场侧存在的危险电压水平的影响，现场侧存在更强大的组件，例如传感器和执行器。 隔离还可以消除影响数据采集精度的共模噪声或接地回路。 虽然可以通过传统的光耦合器或 Analog Devices iCoupler 器件实现跨隔离栅的数据传输，但主要挑战和常见问题是找到一种将电力从非隔离系统侧传输到隔离场侧的方法。 本文讨论了一种新方法背后的技术，该方法通过使用 ADI 公司最新的 iCoupler 产品集成电源隔离和数据信号隔离来应对这一挑战。
直到最近，通过隔离栅传输电力要么需要一个单独的 DC-DC 转换器，它相对较大、昂贵且隔离不足，要么需要一种定制的分立方法，这种方法不仅体积庞大，而且难以设计。
这些方法是唯一可行的替代方案，即使在数据采集模块等只需要少量隔离电源的应用中也是如此。
ADI公司最近解决了这个问题，推出了一个完整的、完全集成的隔离解决方案，涉及使用微型变压器跨隔离栅传输信号和功率。 我们的 iCoupler 技术的这种扩展，称为 isoPower，是一个突破性的替代方案。 单个组件内的信号和电源消除了对笨重、昂贵、难以设计的隔离电源的需求，并提供高达 5 kV 的足够隔离。 它可以显着降低隔离系统的总成本、电路板空间和设计时间。 如图 1 所示，带有 isoPower 的 2 通道 iCoupler 器件体积缩小了近 90%，成本降低了 70%。
采用 isoPower 的 iCoupler 技术
DC-DC 转换器的集成涉及变压器开关、整流二极管以及最重要的变压器的使用。 通过使用大约 300 MHz 的高开关频率，可以减小变压器的尺寸以将其集成到完整的隔离解决方案中。 这与磁芯变压器中使用的方法背道而驰，在这种方法中，磁芯的磁导率在高频下开始下降，导致可观的磁芯损耗，从而降低m6体育。 此外，磁芯还会影响变压器的隔离等级。 另一方面，无芯 iCoupler 变压器可以在更高的频率下切换，并且实现起来更简单。
iCoupler 器件中使用的微型变压器构建在 CMOS 基板之上。图 2 显示了隔离变压器结构的横截面，图 3 是电源和信号变压器的芯片照片。通过对初级和次级螺旋使用 6 μm 厚的镀金，将变压器串联电阻降至最低。初级和次级之间的 20 μm 厚聚酰亚胺可提供高达 5 kV 的高压隔离。底部螺旋下方额外的 5 μm 厚聚酰亚胺有助于降低基板电容和基板损耗。通过使用可用的底层 IC 金属精心设计的图案化接地屏蔽，进一步降低了基板损耗。对于具有大磁耦合系数的叠层变压器，邻近效应和涡流损耗不太重要。线圈的设计可以通过优化线圈参数来完成，例如匝数、走线宽度和走线间距。顶部线圈在 300 MHz 时的品质因数 (Q) 可高达 20，底部线圈可高达 15。微型变压器结构的高 Q 值使得高效的电力传输成为可能。
数字信号的传输是通过在变压器上传输大约 1 ns 宽的短脉冲来实现的，其中两个连续的短脉冲表示前沿，一个短脉冲表示下降沿。图 4 显示了信号传输框图。次级的不可再触发单稳态产生检测脉冲。如果检测到两个脉冲，则输出设置为高。另一方面，如果检测到单个脉冲，则输出设置为低。输入滤波器有助于提高抗噪能力。当在大约 1 μs 内未检测到信号边沿时，发送到变压器的刷新信号可保证直流正确性。如果输入为高，则生成两个连续的短脉冲作为刷新脉冲，如果输入为低，则生成单个短脉冲的刷新。为了补充驱动器端的刷新电路，在接收器中实现了一个看门狗，以确保在未检测到刷新脉冲时输出处于故障安全状态。
类似的微型变压器用于传输电力。由于它们的 L/R 比小，变压器需要在高频下切换以避免电流饱和并实现高m6体育。图 5 显示了在交叉耦合配置中实现的四个互补 CMOS 开关以及形成维持振荡的变压器的示例。优化了槽路组件的尺寸以最大限度地提高能量传输m6体育。集成肖特基二极管用作整流器件。这些二极管开启和恢复速度足够快，可以进行 300 MHz 整流。二极管的大小需要使它们在整流期间保持在肖特基区域。次级上的线性稳压器在输出负载或输入电源变化的情况下保持输出电压。对于许多低功率应用来说，m6体育不是那么重要。为了提高m6体育并保持能量调节，可以添加一个可选的反馈信号变压器。反馈信号将打开/关闭 LC 谐振回路，而不是直接控制变压器开关。这种方法将能量调节与能量转换分开，从而优化功率传输并保持调节。
关于开关变压器的一个常见问题是它们的电磁干扰，特别是对于以 300 MHz 开关的变压器。 使用远场近似，

波长 λ 在 300 MHz 时约为 1 米，半径在 0.5 mm 范围内的变压器仍然是非常差的天线，r/λ 很小。 据估计，即使器件工作在 300 MHz 且环路电流为 350 mA，总辐射功率仍低于 500 pW。 近场辐射随着与变压器的距离而迅速下降。 片上变压器仅以很小的间隔紧密耦合，在这种情况下为 20 μm。
示例应用：辅助控制电源中的 ADuM5242
随着新电源趋向于更低的电源电压、更快的动态响应以及电源和负载之间更多的系统交互，二级控制架构已获得关注。 采用二级控制与一级控制有两个主要困难。 首先是对高性能数字隔离与模拟隔离的需求。 在具有初级控制的系统中，通常使用廉价的模拟光耦合器将模拟反馈误差信号从次级发送到初级，而对于具有次级控制的系统，则需要昂贵或笨重的数字耦合器来跨隔离栅发送 PWM 信号 。
第二个困难是在系统启动之前需要在辅助控制器上供电。 初级控制器没有这样的问题，因为初级侧总是有电源可用。 有两种方法可以解决这个二次控制启动问题。 一种方法是添加一个辅助电源，专门用于辅助控制器启动。 第二种方法是在初级侧有一个专用的启动组件，以在次级侧建立初始偏置，以启动次级控制器。
Analog Devices 的 ADuM5242 是一款具有 50 mW 隔离输出的双通道数字隔离器，是解决启动问题的理想解决方案。 这个 8 引脚 SOIC 组件提供两个隔离通道，支持高达 10 Mbps 的 PWM 信号和 10 mA 的 5 V 隔离电源，用于启动辅助控制器。 一旦系统启动，用户还可以选择禁用电源。 禁用是通过监控输入电源电压来实现的。 当输入电源降至 4 V 以下时，图 5 所示的反馈控制开关将关闭。 图 6 是一个示例应用框图，显示了 ADuM5242 在次级控制系统中的应用。 两个数字信号通道为来自次级控制器的反馈信号提供m6体育整流，以驱动初级半桥驱动器。
除了 ADuM5242，还引入了另外两种数据通道配置。 ADuM5240 有两个隔离输出通道，而 ADuM5241 有一个隔离输出和一个隔离输入。 这提供了支持各种应用程序的灵活性。 ADuM524x 产品还可以与其他多通道 iCoupler 器件结合使用，以配置更多数量的隔离信号通道。
采用 isoPower 的 iCoupler 技术在单个封装内提供了完整的隔离解决方案。 它不仅提供最先进的数字信号隔离，在功率、尺寸和性能方面优于光耦合器，而且还无需单独的隔离电源。 iCoupler 技术为功能集成提供了前所未有的可能性，可以显着降低隔离系统的复杂性、尺寸和总成本。