出于安全和/或數據完整性考慮，通常需要電路組件之間的隔離。例如，隔離可保護系統側的敏感電路組件和人機接口免受現場側的危險電壓電平的影響，現場側存在更堅固的組件，如傳感器和執行器等更堅固的組件。隔離還可以消除影響數據采集精度的共模噪聲或接地環路。雖然可以通過傳統的光耦合器或ADI耦合器器件實現跨越隔離柵的數據傳輸，但主要的挑戰和常見的難題是找到一種將功率從非隔離系統側傳輸到隔離現場側的方法。本文討論了一種新方法背后的技術，該方法通過使用ADI公司最新的i耦合器產品將電源隔離與數據信號隔離集成在一起，從而應對這一挑戰。

直到最近，跨越隔離柵傳輸功率需要單獨的DC-DC轉換器，該轉換器相對較大，價格昂貴且隔離不足，或者采用定制的分立方法，該方法不僅體積龐大，而且難以設計。

這些方法是唯一可行的替代方案，即使在數據采集模塊等只需要少量隔離電源的應用中也是如此。

ADI公司最近推出了一款完整的完全集成隔離解決方案，涉及使用微變壓器跨越隔離柵進行信號和功率傳輸，從而解決了這一問題。這種對i耦合器技術的擴展，稱為isoPower，是一個突破性的替代方案。單個組件中的信號和電源消除了對笨重、昂貴且難以設計的隔離電源的需求，并提供高達 5 kV 的充分隔離。它可以顯著降低總隔離系統成本、電路板空間和設計時間。如圖1所示，具有iso功率的2通道i耦合器器件體積小近90%，成本降低70%。

圖1.傳統方法和 isoPower 方法之間的成本和規模比較。

我耦合器技術與 iso電源

DC-DC轉換器的集成涉及使用變壓器開關、整流二極管，最重要的是變壓器。通過使用大約300 MHz的高開關頻率，可以減小變壓器的尺寸，使其集成到完整的隔離解決方案中。這與磁芯變壓器中使用的方法背道而馳，在磁芯變壓器中，磁芯的磁導率在高頻下開始下降，導致明顯的鐵芯損耗，從而降低了效率。此外，磁芯還可能影響變壓器的隔離額定值。另一方面，無芯i耦合變壓器可以在更高的頻率下切換，并且更容易實現。

i耦合器器件中使用的微變壓器建立在CMOS基板之上。圖2顯示了隔離變壓器結構的橫截面，圖3是電源和信號變壓器的芯片照片。通過在初級和次級螺旋上使用 6 μm 厚的鍍金，將變壓器串聯電阻降至最低。初級和次級之間的 20 μm 厚聚酰亞胺可提供高達 5 kV 的高壓隔離。底部螺旋下額外的5 μm厚的聚酰亞胺有助于降低基板電容和基板損耗。通過使用可用的底層IC金屬精心設計的圖案接地屏蔽，進一步降低了基板損耗。鄰近效應和渦流損耗對于具有大磁耦合系數的堆疊式變壓器來說不太重要。線圈的設計可以通過優化線圈參數來完成，例如匝數、走線寬度和走線間距。頂部線圈在 300 MHz 時的品質因數 （Q） 可高達 20，底部線圈可高達 15。微變壓器結構的高 Q 值使高效的功率傳輸成為可能。

圖2.i耦合變壓器線圈的橫截面。

圖3.變壓器芯片的照片顯示了電力變壓器線圈和兩個數據變壓器線圈。

數字信號的傳輸是通過在變壓器上傳輸大約1 ns寬的短脈沖來實現的，其中兩個連續的短脈沖表示前沿，單個短脈沖作為下降沿。圖4顯示了信號傳輸框圖。次級上的不可再觸發單穩態產生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，則輸出設置為高電平。另一方面，如果檢測到單個脈沖，則輸出設置為低電平。輸入濾波器有助于提高抗噪性。當大約1 μs未檢測到信號邊沿時，通過發送到變壓器的刷新信號來保證直流正確性。如果輸入為高電平，則產生兩個連續的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，則產生單個短脈沖的刷新。為了補充驅動器側的刷新電路，接收器中實施看門狗，以確保在未檢測到刷新脈沖時輸出處于故障安全狀態。

圖4.數字信號傳輸框圖。

類似的微變壓器用于傳輸電力。由于L/R比小，變壓器需要高頻切換，以避免電流飽和并實現高效率。圖5顯示了以交叉耦合配置實現的四個互補CMOS開關的示例，以及形成持續振蕩的變壓器。儲罐組件尺寸經過優化，以最大限度地提高能量傳輸效率。集成的肖特基二極管用作整流裝置。這些二極管的導通和恢復速度足以實現 300 MHz 整流。二極管的尺寸需要使其在整流期間保持在肖特基區域。次級上的線性穩壓器通過輸出負載或輸入電源變化來維持輸出電壓。對于許多低功耗應用來說，效率不是問題。為了提高效率并保持能量調節，可以添加可選的反饋信號變壓器。反饋信號將打開/關閉LC諧振箱，而不是直接控制變壓器開關。這種方法將能量調節與能量轉換分開，允許優化功率傳輸并保持調節。

圖5.功率傳輸框圖。

開關變壓器的一個常見問題是它們的電磁干擾，特別是對于開關頻率為300 MHz的變壓器。 使用遠場近似，

300 MHz 處的波長 λ 約為 1 米，半徑在 0.5 mm 范圍內的變壓器仍然是一個非常差的天線，r/λ 很小。據估計，即使該器件以300 MHz的頻率工作，環路電流為350 mA，總輻射功率仍小于500 pW。近場輻射隨著與變壓器的距離而迅速下降。片上變壓器僅通過小間隔緊密耦合，在本例中為20 μm。

應用示例：ADuM5242在次級控制電源中的應用

隨著新電源趨向于更低的電源電壓、更快的動態響應以及電源和負載之間的更多系統交互，次級控制架構越來越受到關注。采用二級控制與一級控制有兩個主要困難。首先是需要高性能數字隔離與模擬隔離。在具有初級控制的系統中，通常使用廉價的模擬光耦合器將模擬反饋誤差信號從次級發送到初級，而對于具有初級控制的系統，則需要昂貴或笨重的數字耦合器來跨越隔離柵發送PWM信號。

第二個困難是在系統啟動之前需要輔助控制器供電。主控制器沒有這樣的問題，因為主端始終有電源可用。有兩種方法可以解決此輔助控制啟動問題。一種方法是添加專用于輔助控制器啟動的輔助電源。第二種方法是在初級側安裝一個專用的啟動組件，以在次級側建立初始偏置，以啟動次級控制器。

ADI公司的ADuM5242是一款雙通道數字隔離器，具有50 mW隔離輸出，是解決啟動問題的理想解決方案。這款 8 引腳 SOIC 組件提供兩個隔離通道，支持高達 10 Mbps 的 PWM 信號和 10 mA 的 5 V 隔離電源，用于啟動次級控制器。用戶可以進一步選擇在系統啟動后禁用電源。禁用是通過監視輸入電源電壓來實現的。當輸入電源降至4 V以下時，圖5所示的反饋控制開關關斷。圖6是次級控制系統中ADuM5242的示例應用框圖。兩個數字信號通道通過同步整流提供來自次級控制器的反饋信號，以驅動初級端的半橋驅動器。

圖6.采用具有iso功率的ADuM5242的二級控制系統示例。

除了ADuM5242，還引入了另外兩種數據通道配置。ADuM5240具有兩個隔離輸出通道，而ADuM5241具有一個隔離輸出和一個隔離輸入。這提供了支持各種應用的靈活性。ADuM524x產品還可以與其他多通道i耦合器器件結合使用，以配置更多的隔離信號通道。

總結

我采用 isoPower 的耦合器技術可在單個封裝內提供完整的隔離解決方案。它不僅提供最先進的數字信號隔離，在功率、尺寸和性能方面比光耦合器具有顯著優勢，而且還消除了對單獨隔離電源的需求。i耦合器技術為功能集成提供了前所未有的可能性，可以顯著降低隔離系統的復雜性、尺寸和總成本。

審核編輯：郭婷