采用isoPower技術(shù)的iCoupler產(chǎn)品：利用微型變壓器隔離信號和電源
引言
出于安全和數(shù)據(jù)完整性考慮,通常需要在電路元件之間進行隔離。例如,隔離可以保護系統(tǒng)端敏感的電路元件和人界面免受現(xiàn)場端存在的危險電壓的損害,現(xiàn)場端駐留比較魯棒性的元件,例如傳感器和執(zhí)行機構(gòu)。隔離還可以消除影響數(shù)據(jù)采集精度的共模噪聲和接地環(huán)路問題干擾。雖然可以采用傳統(tǒng)的光耦合器或ADI公司的iCoupler隔離器完成通過隔離阻障的數(shù)據(jù)傳送,但是主要的挑戰(zhàn)和共同難題是找到一種將電源從非隔離的系統(tǒng)端傳送到被隔離的現(xiàn)場端的方法。本文討論了通過采用ADI公司最新的iCoupler產(chǎn)品——集成的電源隔離和數(shù)據(jù)信號隔離新方法解決這個難題的技術(shù)背景。
迄今為止,經(jīng)過隔離阻障傳送電源一般需要兩種方法,一種方法是分立的DC/DC變換器,其尺寸相當(dāng)大、成本高而且隔離度不夠;另一種方法是定制的分立方法,它不僅體積大而且難于設(shè)計和連接。這兩種方法已是唯一可行的替代方法,即使是在只需要低隔離電源(例如數(shù)據(jù)采集模塊)的應(yīng)用場合。
ADI公司最近推出了一種完整而且完全集成的隔離解決方案——采用微型變壓器經(jīng)過隔離阻障傳送信號和電源,解決了上述問題。我們將iCoupler技術(shù)的擴展稱為isoPower技術(shù),是又一種創(chuàng)新的解決方案。在一顆單芯片內(nèi)提供信號和電源隔離功能,無需體積大、成本高、難設(shè)計的隔離電源,并且提供了高達5 kV足夠的隔離度。它可以顯著降低隔離系統(tǒng)的總成本、印制電路板(PCB)面積和設(shè)計時間。一種采用isoPower技術(shù)的雙通道iCoupler器件如圖1所示,其面積縮小90%,成本降低70%。
圖1 傳統(tǒng)方法與isoPower方法的成本和尺寸比較
采用isoPowe r技術(shù)的iCoupler隔離器件
集成的DC/DC變換器包括采用的變壓器開關(guān)、整流二極管和最重要的變壓器。通過采用達300 MHz的高開關(guān)頻率減小變壓器尺寸以便能夠?qū)⑵浔M可能整合在一個完整的隔離解決方案中。這與磁芯變壓器中采用的方法正好相反,在磁芯變壓器中磁芯的滲透率在高頻的時候開始降低,從而導(dǎo)致明顯的磁芯損耗,降低效率。此外,磁芯還可能會折衷變壓器的額定隔離電壓。然而,無磁芯的iCoupler變壓器可以在更高的頻率下工作而且實現(xiàn)起來要簡單得多。
圖2 iCoupler變壓器線圈的截面圖
iCoupler器件中所采用的微型變壓器構(gòu)造在CMOS襯底的上方。圖2示出了隔離變壓器結(jié)構(gòu)的截面圖,圖3示出了一張帶有電源和信號變壓器的管芯照片。通過為初級和次級線圈鍍了一層6mm厚的鍍金,將變壓器串聯(lián)電阻值減到了最小。初級和次級端之間的20mm厚的聚酰亞胺層提供耐壓高達5 kV的高壓(HV)隔離。底部線圈下面增加一層5mm厚的聚酰亞胺有助于減小襯底電容和襯底損耗。利用可提供的IC下面的金屬層精心設(shè)計帶圖案的接地屏蔽層可以進一步降低襯底損耗。對于
