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一个单芯片搞定“数据+电源”双隔离问题

时间:2006-05-08 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:

在将现实世界的各种信号数字化的过程,为了保护人和设备安全、消除接地问题、提高系统性能并保护电路,必须使用隔离器以阻断高电压、抑制噪声等干扰。同样着眼于光耦合器存在的普遍问题──如何隔离电源?继去年德州仪器率先推出业界首款片上电容式数字隔离器──ISO721后,日前美国模拟器件(Analog Device, ADI)更进一步推出将隔离信号和电源集成在一颗单芯片的数字隔离产品──isoPower ADuM524x,以ADI既有isoPower技术为基础,扩展了iCoupler数字隔离器系列产品。

ADI中国技术支持中心经理廖文帅指出,过去使用光耦合技术来做隔离器,由于其光数据传送的“混合电路结构”,且发光二极管(LED)或光电二极管的开关次数有限,常导致性能和可靠性不理想及功耗过大的缺点;于是ADI于2001年首次推出创新的iCoupler技术,改用磁数据传送,且将制造工艺提升至晶圆级,已成功使芯片性能和功耗改进10倍以上。然而,在阻绝高电压干扰方面,仍不免要依赖很多器件来将信号和电源电路分立配置,如此占用的板面积和成本自然大了许多,工程师的设计时间也长。



奠基于iCoupler之上,isoPower写下新里程

廖文帅说,在isoPower ADuM524x问世之前,工程师多只能在光耦合器上外加两种分立解决方案来隔离电源;一是加上定制的隔离电源,一是加上集成的DC/DC变换器。这样的缺点在于,前者体积大,且需要相当的设计经验,开发时间也长;后者则是对许多应用来说,在效能上可能产生不敷使用的情况(医疗控制仪器常要求4.5kV以上),成本也高。因此,近年来客户对于如何同时隔离数据和电源的呼声也日益高涨;可惜的是,光耦合和电容式隔离都只能隔离数据部分。如今,随着isoPower ADuM524x的推出,将微电源和独立的信号通道集成在一起,可较现有解决方案降低了60%~80%的成本与尺寸,特别适用于需要数字隔离的低功耗应用,如:数据采集模块、通信总线和次级控制电源等。



ADI公司的iCoupler隔离技术采用芯片尺寸的微型变压器,提供通过电感耦合的绝缘隔离。与光耦合器相比,iCoupler产品降低了功耗,提高了数据速率并且增强了定时精度;据廖文帅表示,iCoupler技术最高已可做到5kV,相关安全认证正在申请中。因为将微型变压器结构集成在半导体衬底上,搭配CMOS集成工艺,故iCoupler产品能够实现高集成度,从而能增加功能,减小尺寸并且降低成本。iCoupler数字隔离器现场使用量已经增长到了5,000多万个隔离通道,而isoPower技术增强了iCoupler技术的可扩缩性和灵活性,是ADI公司数字隔离产品系列的最新发展。

iCoupler微型变压器是isoPower技术DC/DC变换器的基础,包括稳压器、开关等所有DC/DC变换器单元电路都已集成在一颗单芯片中,可省去外围分立器件的使用。这样的集成方式,最困难的技术突破点在哪里?廖文帅解释,如何把线路、频率各异的电源和一般数据线圈搁在一起,又要克服磁线圈本身的磁干扰问题,就是很大的技术门坎。摊开隔离器芯片的剖面图可发现,由于最上层的电源走线特别细,线圈也特别厚,必须以20μm的聚酰亚胺隔离层以耐受高电压。值得留意的是,众所周知,磁场强度和磁场频率成反比关系;理论上为避免磁干扰过大、以维持一定的磁场强度,磁场频率势必无法做得过高,一般而言,能做到2MHz已属不易。但ADI却能将开关频率做到260MHz~300MHz!顿时令在场人士为之惊诧不已。在效率方面,廖文帅补充说,据他们实验数据显示,在开环结构中可做到10%~15%,若是在闭环结构中这个数值则会更高。

ADuM524x系列产品光荣问世

ADuM524x系列产品采用isoPower技术将一个带隔离的DC/DC变换器(要求电源电压高于4.5V)集成在一颗采用8引脚的SOIC封装的芯片上,采用2.7V~5.5V单电源供电,能提供50 mW功率5V带隔离的稳压电源,特别适合低功耗应用。ADuM524x器件有2个信号通道数,单一信道的数据传输速率可达100Mbps,具有优良的定时指标:横向传播延迟小于55ns,纵向通道间匹配误差优于3ns。ADuM524x系列目前共有3款产品──ADuM5240、ADuM5241和ADuM5242,都具有2.5 kV的额定隔离电压,皆采用isoPower技术的双通道隔离器。



每款产品的区别在于各通道的传输方向不同。ADuM5240在与电源输出的同一侧有两个信号输出通道;ADuM5241在每个方向有一个信号通道,适合于双向传输,例如RS-232收发器,它为电子接口提供需要带隔离的电源;ADuM5242在与电源输入同一侧具有两个信号输出通道,适合于采用次级端控制并且开始启动需要隔离电源的电源应用。综括来说,ADuM5242的高集成度不失为降低系统成本的理想选择。ADuM524x数字隔离器现在可为大客户提供产品样片,预计将于2006年7月为开放市场提供产品样片。这3款器件都采用无铅的8引脚SOIC封装(小外形集成电路),1,000片定量报价为2.95美元/片。更多信息:www.analog.com/icoupler。
(责任编辑:admin)
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