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超低功耗应用中的高速隔离

上网日期: 2014年10月07日 ?? 作者: Mark Cantrell ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:光耦合器? 数字隔离? 容性耦合? 高速隔离?

在设计师眼中,隔离是一个必不可少的负担。说隔离必不可少,是因为它可以确保电子设备的安全性,使任何人均可使用。说隔离是个负担,是因为它会限制通信速度,会消耗大量电能,并占用电路板空间。基于旧技术的光耦合器,甚至许多较新的数字隔离器能耗巨大,结果使某些类型的应用失去了实用价值。在本文中,我们将考察超低功耗隔离技术的最新发展,及其与现有技术的关系和实现方式。我们还将探讨可从这类新器件中受益的几种应用。

对设计师来说,大约45年前现代光耦合器的出现是一次巨大的飞跃。有了它们,可在电源控制电路中实现反馈,在通信电路中实现信号隔离以断开接地环路,并可实现对高端功率晶体管或电流监控器的通信。20世纪70年代,光电器件大量涌现。这些器件影响了通信标准(如RS232、RS485)和工业总线(如4~20mA电流环路、DeviceNet和Profibus)的发展进程。

受隔离器件本身限制的影响,光隔离的功能决定了这些通信总线的诸多特性。在接下来的20年中,隔离技术的发展变化基本上属于量变,而到了2000年,市场上出现了首批新型芯片级数字隔离器。这些新器件先后采用感性耦合技术、芯片级变压器、GMR材料以及后来的差分容性耦合技术。

这些新技术可以支持比老式光耦合器高得多的速率和低得多的功耗水平,但在既定标准一统天下的情况下,新器件的许多功能(如高速率)并未得到充分利用,因为现有标准接口并没有此项要求。

数字隔离

数字隔离器中的编码和解码电子元件采用标准封装和IC工艺制成,这使得数字功能的添加变得简单易行。低功耗、低电源电压支持以及高集成度已经成为非光学耦合器的主要设计优势。使隔离获得更高速率、更低功耗的创新将支持要求最为苛刻的新接口标准。当前,数字隔离器的功耗虽然显著低于光耦合器,但需要低2至3个数量级才能进入新的应用领域。到目前为止,高性能隔离还不能实现这一目标。

各种技术的比较

隔离器件性能的提升是数据编码方案与数据传输媒介效率共同作用的结果。在本文中,我们将重点讨论决定功耗的各个方面。编码和解码方案大致可以分成基于边沿编码脉冲的系统和电平编码系统两种。最简单的电平系统必须把能量持续地推送通过隔离栅,以保持高电平输出状态,而在不向隔离栅发送能量时则代表低电平输出状态。

在光耦合器中,能量传输由光促成,与直接形成电场或磁场相比,其效率较差,而且接收元件端的检测效率也差强人意。因此,基于简单晶体管或PIN二极管的光耦合器需消耗大量能量来产生光,以使输出保持开启状态,但接收器接收信号只需消耗很少的能量。这种情况如表1所示,其中展示了PIN二极管接收器光耦合器的功耗。平均而言,高输入电流和低输出电流是这类光耦合器的特点。

超低功耗应用中的高速隔离(电子工程专辑)
表1:隔离器的每通道功耗对比(VDD = 3.3V,100kpbs)

通过为接收器添加有源放大功能,速率较快的数字光耦合器减少了维持某种状态所需光量。虽然这种方法减少了LED的平均电流需求,但接收器的静态电流却相对较大,因此,功耗并未真正降低,只是转移到了接收器端。降低所需功耗就需要提高LED和接收器元件的效率,或者改变编码方案。这也是光耦合器技术在如此长的时期内未取得突破性进展的原因。

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