长久以来，阻隔一向被规划师视为一个必不可少的担负。说它必不可少是由于，它能够使电子元件变得安全，以便任何人都能运用。说它是个担负是由于，它会约束通讯速度，耗费很多电能，并占用较大的电路板空间。依据老技能的光耦合器，乃至许多较新的数字阻隔器，其功耗十分高，致使某些类型的运用失去了可行性。在本文中，咱们将调查超低功耗阻隔范畴的最新开展，其与现有技能的联系，以及其完成办法。一起，咱们还将讨论能够从这类新器材获益的多种运用。
对规划师来说，大约45年前呈现的现代光耦合器是一个巨大的前进。它们答应在电源操控电路中完成反应，在通讯电路中完成信号阻隔以中止接地环路，以及对高端功率晶体管或电流监控器进行通讯。
20世纪70年代，光电器材很多呈现。这些器材影响了RS-232、RS-485等通讯规范，以及4至20 mA电路环路和DeviceNet及PROFIBUS等工业总线的开展。受阻隔器材自身约束的影响，光阻隔的功用决议了这些通讯总线的许多特性。在接下来的20年中，阻隔技能的开展改变基本上归于质变，而到了2000年，市场上呈现了第一批新式芯片级数字阻隔器。这些新器材以理性耦合技能为根底，选用芯片级变压器、GMR资料以及后来的差分容性耦合技能。与较老的光耦合器比较，这些新技能能够完成超高的速率和超低的功耗水平，但是，受其时施行的规范约束，新器材的许多功用(如高速率)并未得到充分运用，由于现行规范接口并不需求这些功用。
在数字阻隔器选用规范封装和IC工艺制作其编码和解码电子元件之后，数字化功用的增加变得十分简洁。低功耗、对低电源电压的支撑以及高集成度成为非光学阻隔器的首要规划优势。能大幅进步阻隔速率而且大幅下降阻隔功耗的新技能能够支撑要求最为严苛的新接口规范。现在，数字阻隔器的功耗(远远低于光耦合器)需求低两至三个数量级才干进入新的运用空间。到现在停止，高功用阻隔还不能完成这一方针。
各种技能的比较
阻隔器材功用的快速开展是数据编码计划与数据传输所用介质的功率一起效果的成果。在本文中，咱们将会集讨论决议功耗的各个方面。编码和解码计划能够大致分为依据边缘编码脉冲的体系和电平编码体系。简略而言，依据电平的体系有必要持续地将能量推过阻隔栅，以坚持一个自动输出状况，一起，经过不跳过阻隔栅发送能量来表明被迫输出状况。
在光耦合器中，光会对能量传输进行调停，与直接树立电场或磁场比较，其功率较低，而且在接纳元件端，其检测功率较差。因而，简略的晶体管或依据PIN二极管的光耦合器需求耗费很多电能来发生光，以使输入坚持敞开状况，但接纳器只需耗费很少的电能即可接纳信号。这一点能够在表1中看出，其间列出了PIN二极管接纳器光耦合器的功耗。均匀而言，这类光耦合器具有高输入电流和低输出电流的特色。较高速率的数字光耦合器经过在接纳器中增加有源扩大模块的办法，削减了坚持某种状况所需求的光量。这就下降了LED所需求的均匀电流，但接纳器具有相对较大的静态电流，因而，其功耗并未真实下降——仅仅推到了接纳器端。下降所需功耗需求进步
LED和接纳器元件的功率，或许更改编码计划。这便是光耦合器技能在如此长的时刻中，只取得了质变开展的原因地点。
在许多容性耦合数字阻隔器中，体系实际上与光耦合器类似。这类器材选用一个高频振荡器来把信号经过一对差分电容传递出去。该振荡器，十分像光耦合器中的LED，需求耗费电能以发送自动状况，并封闭以发送被迫状况。接纳器配有有源扩大器，在两种状况下都要耗费偏置电流。如表1所示，由于电容的耦合功率较高，总功耗要明显好于光耦合器选项。需求留意的是，假如选用理性耦合而非容性耦合技能，数字阻隔器的功率水平大致与之适当。在这种情况下，决议最低功率水平的首要是编码计划，在低数据速率下特别如此。
ADI出品的iCoupler型数字阻隔器(如ADuM140x系列)选用了另一种编码计划，如图1所示。在该计划中，边缘在输入端检测并编码成脉冲。在ADuM140x中，一个脉冲代表一个下降沿，两个脉冲表明一个上升沿。这些脉冲经过小型片内脉冲变压器耦合至次级绕组。接纳器对脉冲计数，并重构数据流。脉冲自身具有超卓的鲁棒性，能够取得优异的信噪比，但其宽度只要1ns，因而，每个脉冲的能量是很低的。成果发生十分好的特点，即当没有数据发生改变时，输出端的状况会被锁存坚持，几乎不耗费电能。这意味着，功耗便是脉冲流中传输的集成电能加上必定的偏置电流。跟着数据速率的下降，功耗呈线性下降，直到直流停止。相同，导致功耗削减的是编码计划而不是特定数据传输介质，该计划能够在容性，乃至光学体系中完成。
图1.依据脉冲的编码计划
脉冲编码计划并非低功耗的灵丹妙药。其缺陷是，假如输入端无逻辑改变，则不会将数据发到输出端。这意味着，假如存在因发动序列导致的直流电平差，则输入端和输出端将不匹配。ADuM140x处理了这个问题，其办法是在输入通道上完成一个改写看门狗计时器，假如在超越1μs的时刻内未检测到活动，则会从头发送直流状况。这种规划的成果是，当数据速率低于1 Mbps时，该编码计划不再持续削减功耗。器材基本上一直运转在至少1 Mbps的速率下，因而，在低数据速率下，功耗不会持续下降。即便如此，与表1所示电平灵敏型计划比较，脉冲编码计划的均匀功耗较低。
表1.阻隔器每通道功耗比较(VDD= 3.3 V，100 kbps)
进一步下降功耗
ADuM140x脉冲编码计划开端是针对高数据速率而非肯定最低功耗而优化的。该编码计划在下降功耗方面潜力巨大，特别是在直流至1 Mbps频率规模内。这一数据规模正是大都阻隔运用所运用的规模，特别是要求低功耗的阻隔运用。依据4通道ADuM144x和2通道ADuM124x iCoupler技能的系列器材选用了以下立异技能。
1.规划选用较低电压CMOS工艺完成
2.悉数偏置电流均经过评价，并尽或许将偏置降至最低或彻底消除
3.将改写电流的频率从1 MHz减至17 kHz
4.改写电路能够彻底禁用，以完成最低功耗
功耗为频率的函数，如图2所示(相较于ADuM140x)。关于ADuM140x，改写导致的曲线“膝部”在1 Mbps时清楚可见，关于ADuM144x，当启用改写时，则在17 kbps下清晰可见。ADuM144x的典型每通道功耗，在1 kbps下要低65倍，而在彻底禁用改写功用时，则大约低1000倍。
图2. ADuM144x和ADuM140x器材在VDDX = 3.3 V条件下的每通道总功耗
为什么功耗下降这么多很有用?在以下三种运用中，传统光耦合器和数字阻隔器要么牵强合格，要么彻底不可用。
4 mA至20 mA阻隔环路供电现场外表
图3.搭载HART调制解调器支撑的阻隔式、环路供电型智能传感器前端
环路供电型现场外表的功耗预算十分有限，由于悉数电能均来自4 mA环路电流。走运的是，环路一般能够供给满足的电压，一般为24 V，能够从体系取得大约100 mW的功率。整个运用将耗费大约12 V环路电压(4 mA)。在该预算规模内，简略的DC-DC转换器为阻隔式传感器、模数转换器(ADC)和操控器供电。即便假定DC-DC转换器具有较高的功率，且电压降压份额为2:1，则典型传感器前端可供给的功率小于4 mA(3.3 V)。环路端的功耗预算大致相同。首要接口是衔接ADC的SPI总线。阻隔接口的每一端均由环路供电，还有操控器的悉数ADC以及信号调度元件都是由环路供电。表2所示为每种阻隔技能下的一个4线SPI总线的功耗。SPI 1为阻隔的环路端电流，SPI 2为所需求的传感器端电流。光耦合器在阻隔接口的每一端都将耗费多倍于功耗预算的电能。容性数字阻隔器将耗费现场外表的悉数功耗预算。ADuM1401代表着一种或许性，但体系其余部分的功耗预算十分牵强，即便只支撑衔接ADC的单个SPI接口。选用iCoupler技能的超低功耗数字阻隔器
ADuM1441的功耗十分低，仅占功耗预算的很小一部分。该技能不光答应运用在其功耗预算规模内正常作业，一起答应增加第二个4通道阻隔器，以支撑HART调制解调器接口和智能前端操控器，如图中虚线部分所示。功耗超低的iCoupler技能能够完成曾经的阻隔运用不或许完成的新功用。
表2.一个100 kbps阻隔式SPI接口的每一端的总功耗
以太网供电I2C通讯总线
图4.搭载阻隔式I2C和中止的POE、4端口操控器
比如以太网供电(POE)一类的电信类运用从相对较高的电压轨取得电能，该电压轨供给以太网电能。操控通讯接口有必要从阻隔式DC-DC转换器或许经过–54 V总线电压稳压器取得电能。在图4所示示例中，3.3 V的I2C操控总线通讯接口由POE操控器内置的稳压器发生。图3所示为在POE操控器端运转I2C总线接口所需求的电流，以及POE操控器为支撑每种技能所耗费的功耗。光耦合器处理计划会在芯片中发生半瓦特的热量，该芯片很或许现已挨近其热极限。在表中，从上往下，每个接口均略好于前一个，最终咱们看到超低功耗的ADuM1441，其功耗约为1 mW。如此一来，该接口的热负载在这种芯片中显得微乎其微。即便电源未在POE芯片内部调理，该功耗也十分低，能够运用一个简略的齐纳二极管和电阻，然后使节能元件的本钱和冷却负载到达合理水平。该技能简化了电源架构。
表3.各种阻隔技能在POE运用中的总功耗
电池供电设备
图5.电池供电医疗传感器
超低功耗的第三个运用示例是为持续时刻较长的电池供电运用供给支撑。面向家庭健康监护的医疗器械(如血糖仪、脉息血氧仪)有必要选用特别结构，以在触摸患者的一起，还能衔接非医疗极核算机。有必要为串行接口供电，并在衔接核算机时，能唤醒设备，因而，待机电路中应选用有源阻隔器。在这种情况下，运用ADuM1441的改写禁用功用能够使器材的电池能耗降至4μA以下。这一功耗水平十分低，即便一枚扣子电池，也能够使待机电流坚持数年时刻。
ADuM1441的超低功耗一起支撑为阻隔模块面向核算机的一端便利供电。只需求几μA电流即可完成接口操作，因而，能够将串行接口中的一条状况线专门用于为阻隔器供电，这样就不需求运用专门的电源了。
表4展现的是光耦合器的部分特点，以及作业于待机形式下的各种数字阻隔。请留意，假如挑选了正确的闲暇状况，则PIN/晶体管阻隔器的待机电流实际上或许像依据超低功耗iCoupler的产品相同低。人们运用光耦合器的这种特性来在许多运用中完成低功耗待机。但是，一旦开端通讯，功耗就会上升至较高水平，ADuM1441处理计划就不会这样。
表4.阻隔器的总低速和闲暇功耗
定论
ADI现已为脉冲编码型iCoupler数字阻隔器开宣布一款新版别，该版别针对极低功耗而进行了优化。对该器材做出的改动并未影响器材的阻隔功用，由于所用绝缘技能与高分辨率增强绝缘器材中彻底相同。信号完整性类似于市场上曩昔13年以来呈现的规范iCoupler。依据规划，这些器材
在直流至1 Mbps规模内能够支撑超低功耗作业，数据速率越低，功耗越低。这种技能因作业功耗要低得多，因而，能够完成曾经不或许完成的接口阻隔功用
