对于隔离系统的设计人员来说，数字隔离技术的快速发展正在产生新的功能，大大简化了他们的工作。例子包括集成的、隔离的电源和真正的双向隔离通道，它们可以降低系统成本并节省电路板空间。从基于led的光耦合器转向与标准代工CMOS工艺兼容的新隔离器技术，推动了这些进步。它们使集成电路能够与芯片级微变压器封装在一起，从而将更多的功能装入单个封装中。

本文讨论了体现这些进步的两种设备。在第一个示例中，隔离电源，芯片级微变压器由开关，整流器和稳压器补充，以产生隔离，稳压dc- dc转换器;当与隔离的数据通道集成时，它提供了完整的隔离解决方案。在第二个例子中，双向隔离，集成必要的缓冲器和驱动器创建了一个具有真正双向隔离通道的隔离器，而不需要外部信号调节。

隔离电源:iso电源

电流隔离用于通过安全屏障传输数据和/或功率，同时也阻止电荷或电流流过该屏障。这些设备我耦合器 系列数字隔离器使用芯片级微变压器提供经济高效，节省空间的隔离。我耦合器技术在“我耦合器数字隔离器保护工业、仪表和计算机应用中的RS-232、RS-485和CAN总线”(对话39-10,2005年10月)。

图1显示了一个4通道数字隔离器，它在一个封装中容纳了三个骰子。两个CMOS接口电路(左和右)集成了驱动和接收电子器件。中间模具包含四个芯片级微变压器，每个微变压器由20 μm聚酰亚胺绝缘层两侧的金属(AlCu和Au)线圈组成。聚酰亚胺能够承受有效值超过5千伏的电压一分钟。

不幸的是，在大多数需要隔离数据传输的应用中，隔离电源必须在隔离屏障的两侧可用，或者必须单独提供。系统设计人员通常通过使用分立元件(包括具有适当隔离额定值的变压器)设计隔离电源或购买商用现成的隔离dc-to-dc转换器来引入隔离电源。

每种方法都有其优点和缺点。首先，隔离电源可以根据应用定制，允许系统设计人员根据应用要求优化其成本、隔离额定值、功率输出或其他重要规格。然而，缺点是定制解决方案往往体积庞大，需要安全认证，并且可能延长开发时间。

另一方面，商业上可用的隔离电源可以缩短上市时间，但它们会带来价格损失，并且可能无法针对特定应用进行优化。虽然尺寸比定制的同类产品小，但它们仍然相当笨重，只有有限的表面贴装封装选项。

第三种方法是iso Power，它结合了这两种方法的优点。我耦合器数字隔离器条件和驱动数据跨变压器，如文章中所述，“高速数字隔离器使用微型片上变压器。”iso Power使用相同的芯片级微变压器技术，但不是仅传输数据，而是使用开关，整流器和稳压器来产生与数据通道相同程度的隔离电力。

图2显示了第一种型号ADuM5240、ADuM5241和ADuM5242的隔离电源部分我扣件产品具有iso Power。四个交叉耦合的CMOS开关产生驱动变压器的交流波形。在隔离侧，肖特基二极管对交流信号进行整流。整流信号被传递到一个线性调节器，它保持输出电压在一个标称的5 v设定值。通过放弃一个隔离通道，通过隔离屏障向变压器开关提供反馈，可以显著提高效率。

图3描述了ADuM524x系列中使用的变压器。芯片级微变压器由6 μ m厚的金制成，由20 μ m聚酰亚胺绝缘层隔开，能够提供大于5 kv的有效值隔离。由于变压器线圈直径仅为600 μm，与传统变压器相比，其L/R比较低，因此高效发电需要300 MHz左右的高频开关。

如前所述，用于发电的变压器采用与用于隔离数据的变压器相同的过程。数据通道和功率通道之间唯一显著的区别是隔离屏障两侧的调理电路。

iso使用实例

ADuM524x系列将数据和电源集成在一个小型的表面贴装封装中，大大节省了尺寸和成本。图4显示了隔离SPI接口的典型物理配置。的我耦合器- iso电源解决方案(图4a)使用ADuM5240和ADuM1201提供四个通道的隔离数据和高达50 mW的隔离功率，足以为ADC和遥感器供电。它比使用三个光耦合器和一个隔离dc- dc转换器的传统方法更紧凑，更便宜(图4b)。第三种解决方案，使用分立变压器和其他组件，将消耗更多的面积。ADuM524x iso Power和ADuM120x的其他组合我耦合器产品是可能的，因为是ADuM524x和大多数其他的组合我耦合器产品。

isoPower解决方案的小尺寸和低成本为隔离传感器的放置和分布开辟了新的可能性，降低了现有解决方案的成本，从而使隔离传感器得到更广泛的采用。

浊度传感器就是一个很好的例子:它们测量液体溶液中微粒的数量，并可用于确定一体积水的清洁度。它们越来越多地用于家用电器，如洗碗机和洗衣机，既节约用水，又提高清洁性能。传统的家电清洗或漂洗设定的时间，高估所需的清洁水平，以确保负载是完全清洁在周期结束。然而，浊度传感器可以让系统知道何时停止清洗。机器将在最佳时间使用最佳水量，从而最大限度地减少浪费，同时最大限度地提高有用的清洁性能。

由于浊度传感器必须浸入水中，因此它们对设备设计师提出了两个挑战。首先，传感器必须足够小，以便在放置衣服或盘子的空间内不显眼的任何地方安装。因此，传感器的尺寸至关重要。其次，供电电路浸在水中，因此传感器必须与系统的其余部分安全隔离。如果物理绝缘失效，用户和系统电子设备不得受到伤害，并且必须没有火灾的可能性。因此，电源和数据都必须隔离。

图5所示的框图演示了一个经济有效的解决方案。AD7823低功耗ADC使用3线接口转换浊度传感器的输出。数字化浊度数据通过ADuM1200和ADuM5242的电隔离屏障传输。来自ADuM5242的50 mW隔离功率足以为ADuM1200、AD7823和浊度传感器供电。除外部元件外，隔离器与变流器的组合面积小于100mm(2)。

双向隔离

在隔离中，术语双向通常是指在一个封装中具有单独的发送和接收通道的隔离器——隔离器作为一个整体能够进行双向数据传输，但单个通道是单向的。这种方法兼容RS-232、RS-485和SPI等通信协议，但不兼容真正的双向通信协议，如I(2)C 、SMBus和PMBus，这些协议支持通过单通道进行双向数据传输。图6对双向隔离和单向隔离进行了比较。

集成电路(I(2)C)总线是一种流行的2线双向通信协议，用于在机载控制器与其外围设备之间提供简单、低成本、短距离的通信。I(2)C总线限制了多个设备与主控制器共享单个总线的应用程序的成本，如图7所示。使用两条双向线—一条用于数据，一条用于时钟—以牺牲数据速率为代价实现低成本，因此I(2)C通常用于具有许多外围设备以低于1mbps的数据速率运行的系统。使用有限数量的外设以较高数据速率运行的系统通常会采用诸如SPI之类的协议。

I(2)C隔离挑战是光耦合器基于只能在一个方向上传输的二极管，因此本质上是单向的。双向I(2)C总线可以使用光耦合器隔离，但实现并不美观(图8a)。一个特殊的缓冲区被用来把每个双向通道分成两个不同的通道:发送和接收。一旦分离，四个单向通道可以单独隔离，然后重新组合。该解决方案需要四个隔离器，并将总线从两线扩展到四线。还需要额外的电路，这使得该解决方案成本高昂且体积庞大，并且违背了2线总线实现的最初目的:节省资金和空间。

好消息是，通过采用新的数字隔离技术，用于分离、隔离和重组数据通道的电路可以集成到一个封装中。这种方法可以通过新的ADuM1250和ADuM1251热插拔双I(2)C隔离器实现。图8b说明了如何更加紧凑我耦合器的解决方案是。

图9显示了如何在包内实现双向隔离。正如离散解决方案采用缓冲器将两个双向通道分离为四个单向通道和四个隔离器一样，ADuM125x也是如此。不同之处在于所有电子器件都集成到单个IC上。设计人员只看到2线接口，整个器件小于40mm(2)，与光耦合器/缓冲器解决方案相比减少了90%，光耦合器/缓冲器解决方案占用约350mm(2)。

未来的隔离解决方案

正如这些例子所说明的那样，数字隔离继续为具有挑战性的设计问题提供简化和新颖的解决方案。这是通过使用标准的铸造工艺以低成本实现的，该工艺可以集成传统隔离解决方案中通常没有的功能。在不久的将来，我们可以期待看到进一步的进步，iso Power被集成到越来越多的隔离应用中;我们还可以期待看到比I(2)C更复杂的隔离总线的其他新颖解决方案。