为什么使用开关键控数字隔离器？

电子

为什么需要隔离？
工业和消费电子领域很多地方存在危险电压。必须采取措施保护人员和设备，以免受到长期电位差和暂时过压条件或故障的损害，并且确保满足地方和全球的安全法规。

iCoupler技术：最大程度地消除隔离相关弊端
新的iCoupler技术可将隔离相关的损失降至最低。隔离器将A点与B点隔离开来并允许信息流动，但不会有电流流过隔离栅。相关应用特点：安全、高压、长距离和精密通信等。传统上使用光耦合器，但它有一些问题，例如：会磨损，吞吐速率低，耗电量大，封装尺寸很大。相比之下，iCoupler变压器隔离尺寸较小，成本较低，性能更高，功耗更低。您可以集成其他功能，这种隔离安全可靠。

隔离器可通过四个特性来定义。
* 绝缘材料。可以是聚酰亚胺或二氧化硅。
* 耦合元件。可以是LED、变压器或电容。
* 数据传输。它可以是边沿编码、开关键控或脉宽调制。
* 封装。其特性有材料等级、爬电距离和电气间隙等。

数据传输如何影响隔离器性能
哪些因素决定隔离器的电气性能？
编码。在编码中会有一些编码开销，编码可以是电平编码或脉冲编码。这涉及到延迟和速度性能。
传输。传输效率取决于它是光、磁场或电感还是电场或电容。这影响的是功耗或速度性能。
接收器的效率。接收器可以是光电晶体管或PIN二极管、芯片级电感或差分电容。功耗和延迟会受到影响。
解码器。数据解码会有一些开销；对于光耦合器，它可能是放大或偏置。对于数字隔离器，它是数据处理或时间。功耗和延迟性能可能会受影响。

数据传输的演化
数据传输在发展，编码方案也在不断发展，但未必会消失。每种方法都有优点和缺点。并不存在灵丹妙药。针对新产品要求而选择和定制的方案可能会使用一段时间。左下方所示为光耦合器，是最原始的隔离器，随后是较新型的数字隔离器ADuM140x或单端耦合器，接着是ADuM144x，它采用单端脉冲编码，具有微功耗特性。再后面是ADuM128x，采用差分脉冲编码，我们将会进一步讨论它，还有ADuM14x，采用差分开关键控，是一种非常鲁棒的隔离器。最后是右上方的ADN4651，它采用差分脉冲编码，提供超快传输速度。

架构权衡：单端脉冲编码&差分脉冲编码&开关键控
采用单端脉冲编码的有ADuM140x、ADuM144x等。其工作原理是对脉冲编码，可检测数据边沿。上升沿编码为两个脉冲，下降沿编码为一个脉冲。数据通过变压器传输，然后进行解码。两个脉冲成为上升沿，一个脉冲成为下降沿，全部数据都是这样分布。与光耦合器相比，单端脉冲编码有哪些特性？在低数据速率时功耗非常低，并且具有高共模抑制、低传播延迟、高数据速率和低静态电流性能。

检测数据时，上升沿编码为正脉冲，下降沿编码为负脉冲。数据通过变压器传输，然后解码脉冲，正边沿就是上升沿，负边沿就是下降沿。差分编码有哪些特性？在高频时功耗较低，在低频时功耗较高；传播延迟较低，数据速率较高，抗扰度更好，发送至变压器的驱动信号较低，辐射更低。以上特性是相对于单端而言的。

ADuM14x采用开关键控。首先检测数据电平。对于高输入电平，它解码为载波开启；对于低输入电平，它解码为载波关闭。载波通过变压器发送，然后进行解码。载波开启表示高电平，载波关闭表示低电平。与脉冲编码相比，差分开关键控的特性是传播延迟最低且数据速率更高。它使用差分接收器，因而具有出色的噪声性能和鲁棒性。在高频时，功耗较低；在低频时，功耗较高。

采用开关键控架构的新产品
ADI有一个新的开关键控iCoupler数据隔离器系列，包括单通道至四通道产品。其鲁棒性极佳，能耐受3 kV注入噪声而不会被扰乱，而且辐射很低。它们是最安全的产品，峰值浪涌能力达到15 kV，耐受电压为5 kV，工作电压高达600 V rms。另外，它们也是速度最快的产品，传输速率达150 MSPS，传播延迟小于13 ns，抖动小于150 ps。对于小型封装的爬电距离要求，它们是最合适的产品。动态功耗也是最低的，每个通道每Mbps仅消耗0.3 mW。它还支持低压至高压I/O和1.7 V的内核，功耗为5 [mW]。

在恶劣的环境下使用开关键控数字隔离器
开关键控对哪些应用有利？在高噪声和高共模瞬变环境下可获得最佳性能，例如太阳能逆变器、电机驱动或混合动力汽车。这些应用使用高功率开关，例如MOSFET或IGBT，其电流和电压均很高。它们会发生快速瞬变，引起噪声或共模干扰。为了提高能效，这些应用的趋势是开关速度越来越高。当前的IGBT采用氮化镓或碳化硅工艺后，将来仍然适用。这需要更快速的栅极驱动器和更严格的时序。

低传播延迟偏斜有什么好处？传播延迟偏斜是一个单元[技术困难]......之间的传播差异，因而必须将消隐或死区时间插入脉宽调制器，防止两个功率开关同时导通。右上方波形上的黑色区域就是死区时间。采用开关键控架构可以降低传播延迟偏斜，使死区时间最短。这将有助于降低电机电流失真，使电机运行平稳，减少轴承或联轴器，提高能效。
右下方有两个波形，左边波形显示死区时间只有500 ns，波形看起来像一条光滑的正弦曲线。右边波形显示死区时间提高到1 μs，波形失真很明显。

iCoupler数据架构比较
比较一下iCoupler数据架构，看看它们的具体性能。比较对象是单端脉冲编码ADuM140x、差分脉冲编码ADuM128x和差分开关键控ADuM14x。可以看到，单端和差分的传播延迟较高，分别为32和24，而开关键控较低，性能最佳。开关键控的最大速度为150 Mbps。静态功耗较高，但动态功耗较低。开关键控每通道每Mbps的功耗为0.3 mW，差分和单端分别为1 mW和1.6 mW。还有交流CMti，开关键控的CMTI为75 kV/μs，另外两款产品是25到50 kV/μs。
开关键控的EMI裕量优越得多，比B类限值低-6 dB；差分脉冲编码只有-2 dB，只比单端脉冲编码好一点。 EMI裕量领先很多，抗扰度则领先更多。对于注入噪声，可以看到开关键控能够承受的注入噪声为3,500 V，单端和差分器件分别只有400 V和600 V。

总之，数据编码和传输有许多方案可供选择，每种方案都有优点和缺点。我们讨论了单端、差分脉冲编码和开关键控，不同架构对各应用有不同的优势。 ADI的技术可满足广泛应用的需求，从微功耗、ksps级低端功率处理能力到超高速、低偏斜隔离，应有尽有。鲁棒性是新型隔离器向前发展的关键指标，我们的产品具有最佳的共模瞬变抗扰度、直接功率注入和辐射性能。

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