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超低功耗隔离技术比较及最新发展

本文摘要:作者:MarkCantrell 长久以来,隔绝仍然被设计师视作一个必不可少的开销。说道它必不可少是因为,它可以使电子元件显得安全性,以便任何人都能用于。 说道它是个开销是因为,它不会容许通信速度,消耗大量电能,并闲置较小的电路板空间。基于杨家技术的光耦合器,甚至许多较新的数字隔离器,其功耗十分低,导致某些类型的应用于丧失了可行性。在本文中,我们将实地考察超强低功耗隔绝领域的近期发展,其与现有技术的关系,以及其构建方式。同时,我们还将探究可以从这类新的器件获益的多种应用于。

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作者:MarkCantrell  长久以来,隔绝仍然被设计师视作一个必不可少的开销。说道它必不可少是因为,它可以使电子元件显得安全性,以便任何人都能用于。

说道它是个开销是因为,它不会容许通信速度,消耗大量电能,并闲置较小的电路板空间。基于杨家技术的光耦合器,甚至许多较新的数字隔离器,其功耗十分低,导致某些类型的应用于丧失了可行性。在本文中,我们将实地考察超强低功耗隔绝领域的近期发展,其与现有技术的关系,以及其构建方式。同时,我们还将探究可以从这类新的器件获益的多种应用于。

  对设计师来说,约45年前经常出现的现代光耦合器是一个极大的变革。它们容许在电源控制电路中构建对系统,在通信电路中构建信号隔绝以中断短路环路,以及对高端功率晶体管或电流监控器展开通信。

  20世纪70年代,光电器件大量兴起。这些器件影响了RS-232、RS-485等通信标准,以及4至20mA电路环路和DeviceNet及PROFIBUS等工业总线的发展。

不受隔绝器件本身容许的影响,光隔绝的功能要求了这些通信总线的诸多特性。在接下来的20年中,隔绝技术的发展变化基本上归属于常态,而到了2000年,市场上经常出现了首批新型芯片级数字隔离器。这些新的器件以感性耦合技术为基础,使用芯片级变压器、GMR材料以及后来的差分容性耦合技术。

与值得注意的光耦合器比起,这些新技术可以构建超高的速率和超低的功耗水平,然而,不受当时实行的标准容许,新的器件的许多功能(如高速率)未获得充分利用,因为现行标准接口并不需要这些功能。  在数字隔离器使用标准PCB和IC工艺生产其编码和解码电子元件之后,数字化功能的加到显得十分简单。

低功耗、对较低电源电压的反对以及高集成度沦为非光学隔离器的主要设计优势。能大幅提高隔绝速率并且大幅度减少隔绝功耗的新技术可以反对拒绝尤为严苛的新接口标准。目前,数字隔离器的功耗(相比之下高于光耦合器)必须较低两至三个数量级才能转入新的应用于空间。

到目前为止,高性能隔绝还无法构建这一目标。  各种技术的较为  隔绝器件性能的较慢发展是数据编码方案与数据传输所用介质的效率联合起到的结果。

在本文中,我们将集中于辩论要求功耗的各个方面。编码和解码方案可以大体分成基于边沿编码脉冲的系统和电平编码系统。

非常简单而言,基于电平的系统必需持续地将能量引过隔绝栅,以维持一个主动输入状态,同时,通过不跨过隔绝栅发送到能量来回应被动输入状态。  在光耦合器中,光会对能量传输展开调停,与必要创建电场或磁场比起,其效率较低,并且在接管元件末端,其检测效率较好。

因此,非常简单的晶体管或基于PIN二极管的光耦合器必须消耗大量电能来产生光,以使输出维持打开状态,但接收器只需消耗很少的电能才可接管信号。这一点可以在表格1中显现出,其中所列了PIN二极管接收器光耦合器的功耗。

平均值而言,这类光耦合器具有低输出电流和较低输入电流的特点。较高速率的数字光耦合器通过在接收器中减少有源缩放模块的方式,增加了保持某种状态所必须的光量。这就减少了LED所必须的平均值电流,但接收器具备比较较小的静态电流,因此,其功耗未确实减少只是推向了接收器末端。减少所须要功耗必须提升  LED和接收器元件的效率,或者变更编码方案。

这就是光耦合器技术在如此宽的时间中,只获得了常态发展的原因所在。  在许多容性耦合数字隔离器中,系统实质上与光耦合器相近。这类器件使用一个高频振荡器来把信号通过一对差分电容传送过来。该振荡器,十分像光耦合器中的LED,必须消耗电能以发送到主动状态,并重开以发送到被动状态。

接收器备有有源放大器,在两种状态下都要消耗偏置电流。如表格1右图,由于电容的耦合效率较高,总功耗要明显好于光耦合器选项。

必须留意的是,如果使用感性耦合而非容性耦合技术,数字隔离器的功率水平大体与之非常。在这种情况下,要求低于功率水平的主要是编码方案,在较低数据速率下特别是在如此。  ADI出品的iCoupler型数字隔离器(如ADuM140x系列)使用了另一种编码方案,如图1右图。在该方案中,边沿在输出末端检测并编码成脉冲。

在ADuM140x中,一个脉冲代表一个上升沿,两个脉冲回应一个下降沿。这些脉冲通过小型片内脉冲变压器耦合至次级绕组。接收器对脉冲计数,并重构数据流。

脉冲本身具备出众的鲁棒性,可以取得杰出的信噪比,但其宽度只有1ns,因此,每个脉冲的能量是很低的。结果产生十分好的属性,即当没数据发生变化时,输入端的状态不会被锁存维持,完全不消耗电能。这意味著,功耗就是脉冲流中传输的构建电能再加一定的偏置电流。随着数据速率的上升,功耗呈圆形线性上升,直到直流为止。

某种程度,造成功耗增加的是编码方案而不是特定数据传输介质,该方案可以在容性,甚至光学系统中构建。  图1.。


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