超低功耗隔離技術(shù)比較及最新發(fā)展
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隔離器件性能的快速發(fā)展是數(shù)據(jù)編碼方案與數(shù)據(jù)傳輸所用介質(zhì)的效率共同作用的結(jié)果。在本文中，我們將集中討論決定功耗的各個(gè)方面。編碼和解碼方案可以大致分為基于邊沿編碼脈沖的系統(tǒng)和電平編碼系統(tǒng)。簡(jiǎn)單而言，基于電平的系統(tǒng)必須持續(xù)地將能量推過隔離柵，以保持一個(gè)主動(dòng)輸出狀態(tài)，同時(shí)，通過不越過隔離柵發(fā)送能量來表示被動(dòng)輸出狀態(tài)。
在光耦合器中，光會(huì)對(duì)能量傳輸進(jìn)行調(diào)解，與直接建立電場(chǎng)或磁場(chǎng)相比，其效率較低，并且在接收元件端，其檢測(cè)效率較差。因此，簡(jiǎn)單的晶體管或基于PIN二極管的光耦合器需要消耗大量電能來產(chǎn)生光，以使輸入保持開啟狀態(tài)，但接收器只需消耗很少的電能即可接收信號(hào)。這一點(diǎn)可以在表1中看出，其中列出了PIN二極管接收器光耦合器的功耗。平均而言，這類光耦合器具有高輸入電流和低輸出電流的特點(diǎn)。較高速率的數(shù)字光耦合器通過在接收器中增加有源放大模塊的方式，減少了維持某種狀態(tài)所需要的光量。這就降低了LED所需要的平均電流，但接收器具有相對(duì)較大的靜態(tài)電流，因此，其功耗并未真正降低——只是推到了接收器端。降低所需功耗需要提高
LED和接收器元件的效率，或者更改編碼方案。這就是光耦合器技術(shù)在如此長的時(shí)間中，只取得了量變發(fā)展的原因所在。
在許多容性耦合數(shù)字隔離器中，系統(tǒng)實(shí)際上與光耦合器相似。這類器件采用一個(gè)高頻振蕩器來把信號(hào)通過一對(duì)差分電容傳遞出去。該振蕩器，非常像光耦合器中的LED，需要消耗電能以發(fā)送主動(dòng)狀態(tài)，并關(guān)閉以發(fā)送被動(dòng)狀態(tài)。接收器配有有源放大器，在兩種狀態(tài)下都要消耗偏置電流。如表1所示，由于電容的耦合效率較高，總功耗要顯著好于光耦合器選項(xiàng)。需要注意的是，如果采用感性耦合而非容性耦合技術(shù)，數(shù)字隔離器的功率水平大致與之相當(dāng)。在這種情況下，決定最低功率水平的主要是編碼方案，在低數(shù)據(jù)速率下尤其如此。
ADI出品的iCoupler型數(shù)字隔離器(如ADuM140x系列)采用了另一種編碼方案，如圖1所示。在該方案中，邊沿在輸入端檢測(cè)并編碼成脈沖。在ADuM140x中，一個(gè)脈沖代表一個(gè)下降沿，兩個(gè)脈沖表示一個(gè)上升沿。這些脈沖通過小型片內(nèi)脈沖變壓器耦合至次級(jí)繞組。接收器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，并重構(gòu)數(shù)據(jù)流。脈沖本身具有出色的魯棒性，可以獲得優(yōu)秀的信噪比，但其寬度只有1ns，因此，每個(gè)脈沖的能量是很低的。結(jié)果產(chǎn)生非常好的屬性，即當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，輸出端的狀態(tài)會(huì)被鎖存保持，幾乎不消耗電能。這意味著，功耗就是脈沖流中傳輸?shù)募呻娔芗由弦欢ǖ钠秒娏�。隨著數(shù)據(jù)速率的下降，功耗呈線性下降，直到直流為止。同樣，導(dǎo)致功耗減少的是編碼方案而不是特定數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，該方案可以在容性，甚至光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。
圖1.基于脈沖的編碼方案
脈沖編碼方案并非低功耗的靈丹妙藥。其缺點(diǎn)是，如果輸入端無邏輯變化，則不會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)到輸出端。這意味著，如果存在因啟動(dòng)序列導(dǎo)致的直流電平差，則輸入端和輸出端將不匹配。ADuM140x解決了這個(gè)問題，其方法是在輸入通道上實(shí)現(xiàn)一個(gè)刷新看門狗計(jì)時(shí)器，如果在超過1μs的時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到活動(dòng)，則會(huì)重新發(fā)送直流狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果是，當(dāng)數(shù)據(jù)速率低于1 Mbps時(shí)，該編碼方案不再繼續(xù)減少功耗。器件基本上始終運(yùn)行在至少1 Mbps的速率下，因此，在低數(shù)據(jù)速率下，功耗不會(huì)繼續(xù)下降。即便如此，與表1所示電平敏感型方案相比，脈沖編碼方案的平均功耗較低。
表1.隔離器每通道功耗比較(VDD= 3.3 V，100 kbps)
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