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速度和功耗优势 数字隔离器开始多领域取代光耦

2010-10-25 09:14
瑾年Invader
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  随着越来越多的工业和通讯设备智能化,提供了更多的大功率系统控制和反馈信息,从而实现更高的效率并使系统成本减少,当今市场对隔离器的需求也与日俱增。

  从整体上来说,尽管市场需求出现极大增长,数字隔离器的价格依然会保持稳定。虽然在隔离器零部件方面一直存在着价格压力,但当今的隔离器解决方案仍在不断增加新的特性,诸如低功率模式和安全能力。因此,当今市场上隔离器解决方案将会继续在提升价值的同时保持长期的较低价格。

  隔离器从原理上一般分为三类:光电隔离器,电感式隔离器和电容隔离器。习惯上将第一类称为光耦,后面两类称为隔离器。这三类隔离器应用广泛,各有优缺点,其主要厂商都不断投入新的研发以获得更大市场份额。光耦方面,Avago、Vishay、Toshiba、松下、NEC,以及台湾冠西、佰鸿等都是行业翘楚,尤以Avago占市场优势地位。隔离器市场则以ADI、NVE、TI、Silicon Labs等厂商占主力。

  光耦是70年代发展起来的隔离器件,它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,目前已成为种类最多、用途最广的光电器件之一,包括晶体管耦合器、高速集成电路输出耦合器、三端双向可控硅耦合器以及光控继电器等,广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大及固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

  光耦的主要优点是信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,无触点,使用寿命长。这种情形下,速度与功耗成为采购关注焦点。不同的应用对光耦的速度要求也有所不同,例如在通信应用中,DeviceNet规定了相对较低的数据速率,包括125kBd、250kBd和500kBd,传播延迟要求小于40ns;CAN总线规定了125kBd低速和1MBd高速数据速率,但对传播延时没有严格的要求;Profibus发送数据则要求在12MBd范围内,并规定了隔离器、收发器和连接本身的PWD总延时。近日安华高推出了两款车用级高速低功耗数字CMOS光电耦合器产品ACPL-M71T和ACPL-M72T,都使用较低驱动电流和较低功耗的LED技术进行设计,适合高速15MBd和低速数字应用。Vishay近期推出的两款采用标准SOP-5封装的高速模拟光耦VOM452T/453T除了速度达到1MBd外,传播延迟更是减小到了1μs,这一点对需要比标准光电晶体管光耦更快开关速度的应用是非常重要的。

  在低功耗方面,以安华高的最新产品超低功耗光电耦合器产品ACPL-M61L/061L/064L/W61L/K64L为例,它们比目前标准光电耦合器省电90%。这些光电耦合器可采用独特的集成电路设计和厚绝缘层材料,在不影响隔离和绝缘性能的条件下大幅度节省功耗,目标市场包括RS485、CANBus和I2C等通信接口、微处理器系统接口,以及A/D和D/A等模数转换应用的数字隔离。这些光电耦合器集成有高效率发光二极管LED和高增益光检测器,带来允许设计工程师直接将光电耦合器输入和微控制器输出连接的1.6mA低顺向驱动电流,节省了使用缓冲器推动LED的需求。

  除了对速度和功耗的要求,光耦产品也正在趋向于低电压特性,由于越来越多的产品逐渐转向更低的供电电压,这也要求光耦具有低电压来满足系统的需求。此外,随着系统集成度不断提高,工作环境日趋严格,光耦产品的体积、工作温度都受到前所未有的关注。仍以安华高产品为例,ACPL-570xL/573xL/177xL系列密封型光电耦合器,工作温度范围从 -55到+125℃,这些新光电耦合器产品可以在低达3.0V的电源电压工作,不会影响参数的性能表现。

  近些年来,本土厂商在光耦市场的力量也开始显现,如上海半导体器件八厂、上海无线电十七厂等。重庆光电技术研究所为适应市场需要研制出了一种由高速响应发光器件和逻辑输出型光接收放大器组成的厚膜集成双路高速高增益电耦合器,这种光电耦合器的输入端由两只GaAIAs侧面发光管组成,其输出端由两只Si-PIN光电探测器以及两个高速高增益线性放大电路组成。除此之外,重庆光电技术研究所还研制出了高速高压光电耦合器、GG2150I型射频信号光电耦合器、GG2060I型高压脉冲测量光电耦合器、GH1204U型高压光传输光电耦合器以及GH1201Y型和GOHQ-I型光电耦合器等。

  在隔离方面,光电隔离可谓是老大哥了,也是最为我们所熟知的一种隔离器件。不过,随着工业技术的不断发展,光耦的速率、LED老化、可靠性、功耗过高等缺点也暴露出来。对此,Silicon Labs隔离器产品总监Diwakar Vishakhadatta表示:“传统光耦合器产品的最大问题是在可靠性和操作性方面存在弱点。随着老化,它们的性能也随之下降;并且,当在较高温度下操作时,实际上老化过程会加剧。系统设计人员开始认识到,通过转向基于CMOS的数字隔离器,他们可实现更高的集成、更快的速度、更低的功率和更加强健的设计。”

  

  Silicon Labs隔离产品总监Diwakar Vishakhadatta

  顺应这种趋势,Silicon Labs在2010年推出了5kV额定数字隔离器和隔离门驱动程序。Diwakar Vishakhadatta自豪宣称,这些数字隔离器产品在市场上得到非常积极的反响,在消费、工业、通讯、网络和广播视频应用等领域得到部署广泛。5kV Si84xx数字隔离器已开始提供样品并已量产。采用宽体SOIC-16封装的5kV Si84xx器件,在一万颗采购量时,单价为0.86美元起。

  “Silicon Labs的数字隔离器比光耦合器可靠性高10倍,这就降低了整体系统成本并增强了使用这些隔离器解决方案的最终产品的可靠性。另外,Silicon Labs的数字隔离器具有业界最快的性能表现,在单个封装中可提供高达150Mbps的速度和最多6个隔离通道。Silicon Labs的隔离门驱动程序同样也比光耦合器甚至其他数字隔离器提供商具有更高的集成和保护水平。在单个封装设计中可提供2个隔离门驱动器,使它们极为适合电源系统和电机控制应用。” Diwakar Vishakhadatta补充道,Silicon Labs数字隔离器至今出货量已超过7,500万个通道,且RF隔离架构已通过市场考验,并在许多工业、能源管理、通信和广播应用中获得验证。

  Silicon Labs的CMOS数字隔离器正是电感式隔离器的代表性产品之一,电感式隔离器另外一种主要的代表性产品是ADI公司脉冲调制iCoupler隔离器。电感式隔离器使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信,它的优势是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声,并且信号能量的转换效率极高,因而可以实现低功耗隔离器。

  ADI公司的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器,是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题,功耗降低了90%,并且无需外部驱动器或分立器件。在同样的信号数据速率下,iCoupler产品的功耗是光耦的十分之一到六分之一(例如,在3V电源、0Mbps至2Mbps条件下,每通道的最大电流为0.8mA)。iCoupler数字隔离器采用工业标准、符合RoHS的小型SOIC(小外形集成电路)封装。

  今年上半年,三菱汽车公司已采用ADI的iCoupler数字隔离器开发用于下一代“i-MiEV”全电动汽车的安全可靠和高效的锂离子电池供电系统。ADI公司汽车部副总裁Thomas Wessel表示:“ADI公司的ADuM1402W和ADuM1201W iCoupler数字隔离器能够用来实现跨越高电压锂离子电池系统和标准汽车电子系统之间的安全隔离阻障传送数据。iCoupler隔离器还能满足其他要求,例如小尺寸、低功耗和延长电池寿命,从而为汽车提供更长巡航距离和更长使用寿命。”

  目前,已有超过3亿个隔离通道采用了ADI公司专有的iCoupler技术。与传统光电耦合器中使用LED和光电二极管不同,这种技术基于芯片级变压器,支持更高的数据速率和更低的功耗,性能更加稳定。通过使用晶圆级工艺制造变压器,iCoupler通道能以较低成本相互集成以及与其它半导体功能集成在一起。

  以ADuM640x四通道隔离器系列为例,这些四通道隔离器具备5kV rms医用隔离等级(IEC 60601-1认证正在进行中),以及不同通道配置和数据速率的四个独立隔离通道。片上isoPower隔离DC/DC转换器支持5.0V或3.3V工作,可提供高达500mW的稳压隔离电源。在低功耗隔离设计中这就可省去独立的隔离DC/DC转换器。这些新型iCoupler四通道隔离器优于诸如带外部DC/DC转换器的光耦等分立解决方案,因为新型iCoupler隔离器可同时将成本和电路板空间减少高达50%,并且能缩短上市时间。

  iCoupler隔离器目前已大量应用于电力自动化、工业测量、楼宇控制、煤矿安全、安防消防、智能交通、流量计、运动控制、电机控制、汽车车体通讯、仪器仪表、航天航空等产品及领域;在铁路、卫星接收、医疗等领域的应用正逐步扩大。

  电感隔离的缺点之一是易受外部磁场(噪声)的干扰。与此相对,电容隔离产品则有很强的抗磁干扰能力,同时还具备很稳定的可靠性、耐用性及抗瞬态电压能力,适用于工厂自动化、过程控制(PLC)和数据采集系统等有干扰的高电压应用场合。电容耦合的缺点是无差分信号,并且噪声与信号共用同一条传输通道,这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率。如同电感耦合一样,电容耦合也存在带宽限制,并需要时钟编码数据。

  TI隔离器采用片上高电压电容器,可提高数据传输速度,而功耗低于通用的高性能光耦合器。以SO722x隔离器产品为例,它在不同的温度和湿度条件下性能稳定,使用寿命超过25年。ISO722x系列提供三种速度选项:1Mbps、25Mbps与150Mbps。TI新近推出的低功耗5KVrms双通道数字隔离器ISO7520C传输延迟小于20ns,工作电压为3.3V或5V,最高传输速度为1Mbps,与隔离电源配合使用,能阻止干扰或损坏敏感电路的噪声电流。

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