在许多工业应用中，例如过程控制系统或数据采集和控制系统，必须将数字信号从各种传感器传输到中央控制器进行处理和分析。然后，控制器需要根据分析结果发送命令，再加上用户对各种执行器的输入，以实现某些操作。为了在用户界面上保持安全电压并防止瞬态从电源传输，需要进行电流隔离。有三种常见的隔离装置:光耦合器，电容耦合隔离器和基于变压器的隔离器。

光耦合器依靠发光二极管将电信号转换为光信号，并依靠光电探测器将光信号转换回电信号。电光转换和慢响应光电探测器固有的低转换效率导致光耦合器在寿命，速度和功率假设方面的限制。电容耦合隔离器在尺寸和抑制共模电压瞬变的能力方面存在局限性，而传统的基于变压器组件的隔离器体积庞大且价格昂贵。此外，由于集成电路集成的限制以及它们通常需要混合封装的事实，所有这些隔离器都受到限制。

最近，一种基于芯片级变压器的新型隔离技术i耦合器 由Devices开发。首款产品ADuM1100单通道数字隔离器已量产。i耦合器技术利用厚膜处理技术来构建微型片上变压器，并在芯片上实现数千伏的隔离。耦合器隔离变压器可以与标准硅集成电路单片集成，并可以在单通道或多通道配置中制造。电感耦合的双向特性进一步促进了信号的双向传输。这些片上变压器的高带宽和精细CMOS电路的结合导致隔离器在功率，速度，定时精度和易用性方面具有无与伦比的性能特征。

ADuM1100架构:单通道数字隔离器

ADuM1100是单通道100 Mbps数字隔离器。它有两个集成电路封装在一个8引脚SOIC封装。ADuM1100的横截面视图如图1所示。封装内部有两个引线框架桨，它们之间的间隙约为0.4 mm。成型化合物的击穿强度超过25 kV/mm，因此填充成型化合物的0.4 mm间隙在两个IC芯片的基板之间提供大于10 kV的绝缘。

位于左侧桨叶上的驱动芯片接收输入的数字信号，对其进行编码，并通过键合线将编码的差分信号驱动到位于右侧桨叶上的接收器芯片顶部的变压器的顶部线圈。驱动芯片是一个标准的CMOS芯片，接收器芯片，如图2所示，是一个CMOS芯片与附加结构的两个聚酰亚胺层和变压器初级线圈制造的钝化顶部。顶部和底部线圈之间的聚酰亚胺厚度约为20毫米。这种聚酰亚胺的一些主要特性见表1。固化聚酰亚胺薄膜的击穿强度大于300 V/μm，因此20 m的聚酰亚胺在给定的变压器线圈之间提供大于6 kV的绝缘。这在3 kVRMS的生产测试电压上提供了一个舒适的余量。由于这些晶圆加工的聚酰亚胺薄膜的结构质量，即使在3kvrms下，也无法检测到超过5pc的局部放电。顶部线圈为镀金层，厚度为4 μm，线圈轨道宽度和匝间距均为4 μm。聚酰亚胺层具有良好的机械伸长率和抗拉强度，这也有助于聚酰亚胺层之间或聚酰亚胺层与沉积金属层之间的附着力。金膜和聚酰亚胺膜之间的相互作用最小，再加上聚酰亚胺膜的高温稳定性，使得系统在各种环境应力下都能提供可靠的绝缘。

除了可以在片上实现数千伏的隔离之外，ADuM110还可以非常高效，准确和可靠地传输非常高带宽的信号。图3是ADuM1100的简化原理图。为了保证输入的稳定性，前故障滤波器滤除脉冲宽度小于约2ns的脉冲。在接收到信号边缘后，将1ns脉冲发送到线圈1或线圈2。(对于低沿信号，它被发送到线圈1，对于下降沿信号，它被发送到线圈2。)一旦短脉冲被传输到次级线圈(在这种情况下的底部线圈)，它们被放大，输入信号通过SR触发器重建，显示为隔离输出。这些微尺度变压器的宽带宽和高速CMOS使得这些短纳秒脉冲的传输成为可能。由于只使用信号边缘，因此这种传输方案非常节能。一个非常有能量的脉冲，在1ns内电流上升到100ma，平均图2。ADuM1100接收芯片对于1mbps的输入信号电流仅为50 μA。一些额外的功率被周围CMOS门的开关耗散。

在5v电压下，如果CMOS门的总电容为20pf，则需要额外的50 μA/Mbps，而典型的光耦合器，即使工作在1mbps，耗散也超过10ma。这表示i耦合器隔离器提供的功耗提高了两个数量级(100倍)。

如果输入在一段时间内(大约1 μs)没有变化，则单稳态电路产生一个1ns的脉冲，并根据输入逻辑电平将其送入线圈1或线圈2。如果输入为高，则将1ns刷新脉冲发送到线圈1，如果输入为低，则发送到线圈2。这有助于保持隔离器的直流正确性，因为通常脉冲仅在接收信号边缘时传输。接收机包括一个看门狗电路，如果不被输入脉冲复位，该电路将在2 μs时超时。如果发生超时，接收器输出将返回到默认安全电平(ADuM1100中的逻辑高电平)。刷新和看门狗功能的组合提供了检测系统端任何现场设备故障的额外优势。对于其他隔离器，这通常需要使用额外的隔离数据通道。

隔离器的带宽取决于其内部的输入滤波器带宽。例如，使用2ns输入滤波器可以实现500mbps。对于ADuM1100，我们选择了100mbd的信号带宽，仍然比最快的光耦合器快2倍。由于这些微型片上线圈之间的感应耦合的瞬时性质，输入和输出逻辑信号之间的非常紧密的边缘对称也得以保留。ADuM1100在5v工作时具有优于2ns的边缘对称性。随着隔离系统带宽的不断扩大，i耦合器技术将能够满足挑战，而光耦合器技术可能会挣扎。表2总结了由ADuM1100数字隔离器提供的i耦合器技术的现有性能特征。

除了耦合器技术提供的效率和带宽方面的改进之外，它还提供了比竞争产品更强大和可靠的隔离解决方案。由于在许多数据采集和控制系统中存在高电压瞬态，因此隔离器防止瞬态影响逻辑控制器的能力非常重要。高性能光耦合器的暂态抗扰度小于10 kV/μs，而ADuM1100的暂态抗扰度优于25 kV/μs。输入输出暂态引起的接收机输入端感应误差电压为:

地点:

C是输入线圈和接收线圈之间的电容
R是底部线圈的电阻
dV/dt是瞬态的大小

在ADuM1100中，顶部(输入)线圈和底部(接收)线圈之间的电容仅为0.2 pF，而底部线圈的电阻为80 欧姆。因此，在顶部线圈上施加25 kV/μs瞬态电压，在底部线圈上产生的误差信号仅为0.4 V，远远小于接收器的检测阈值。通过仔细选择解码器检测阈值、接收线圈的电阻，当然还有上下线圈之间的电容，可以优化i耦合器隔离器的瞬态抗扰度。

关于基于变压器的隔离器的一个反复出现的问题涉及到它们的磁抗扰能力。由于联轴器采用空芯技术，因此不存在磁性元件，也不存在磁芯材料磁饱和的问题。因此，i耦合器基本上具有无限的直流场抗扰度。ADuM1100交流磁场抗扰度的限制取决于接收线圈(本例中为底部线圈)中的感应误差电压足够大，从而错误地设置或重置解码器的条件。通过底部线圈的感应电压为:

地点:

β=磁通密度(高斯)
N =接收线圈匝数
R (n) =接收线圈第n匝的rus (cm)

由于ADuM1100中接收线圈的几何形状非常小，即使是在1 MHz时携带1000 a的电线，并且距离ADuM1100仅1厘米，也不会产生足够大的错误电压，从而错误地触发解码器。注意，在强磁场和高频率的组合下，印刷电路板走线形成的任何回路都可能产生足够大的误差电压，从而触发后续电路的阈值。通常，PC板的设计而不是隔离器本身是限制因素，在存在如此大的磁瞬变。

除了磁抗扰度之外，从耦合器装置发射的电磁辐射水平也是一个值得关注的问题。使用远场近似:

地点:

P =总额定功率
I =线圈回路电流

再一次，考虑到线圈非常小的几何形状，即使该部分工作在0.5 GHz，总额定功率仍然小于50 pW。

ADuM130x/ADuM140x:多通道产品

除了前面讨论的许多性能改进之外，i耦合器技术在集成方面也提供了巨大的优势。光干涉给多通道光耦合器的实现带来了很大的困难。基于i耦合器技术的变压器可以很容易地集成到单个芯片上。此外，一个数据通道可以在一个方向上传输信号，比如从顶部线圈到底部线圈，而相邻的通道可以在另一个方向上传输信号，从底部线圈到顶部线圈。电感耦合的双向特性使这成为可能。

Devices目前正在对ADuM130x/ADuM140x系列多通道产品进行采样，该系列产品包括5个3通道和4通道产品，涵盖所有可能的通道方向性配置。除了提供灵活的通道配置外，它们还支持隔离屏障两侧的3v和5v操作，并支持将这些隔离器用作电平转换器。例如，一边可以是2.7 V，而另一边可以是5.5 V。在-40°C至100°C的所有温度下，所有可能的电源配置都保持2ns的边缘对称性。在单个封装中混合双向隔离通道的能力使用户能够减小其系统的尺寸和成本。

对于ADuM1100，使用两个变压器来传输单通道数据。一个专用于发射代表信号低沿或更新输入高沿的脉冲，另一个专用于发射代表信号下降沿或更新输入低沿的脉冲。对于ADuM130x/ADuM140x产品系列，每个数据通道使用单个变压器。图4所示的ADuM140x总共有4个变压器。对低沿和下降沿进行不同编码，编码后的脉冲组合在同一变压器中;因此，接收器有责任解码脉冲，看它们是为低沿还是下降沿。然后相应地构造输出信号。

当然，对于每个数据通道使用单个变压器而不是每个数据通道使用两个变压器是有代价的。由于需要额外的编码和解码时间，单变压器体系结构的传播延迟更长。即使在100mbps的输入速度下，对带宽的损失也几乎不是一个因素。

与ADuM1100相比，ADuM130x/ADuM140x使用独立于接收器集成电路的专用变压器芯片。这种划分说明了i耦合器技术易于集成。除了独立的多通道隔离器外，i耦合器技术还可以嵌入其他数据采集和控制ic，使隔离的使用更加透明。因此，在未来，系统设计人员将能够将他们的时间用于改进系统功能，而不是担心隔离。

总结

i耦合器产品在功耗，信号带宽，稳健性和易于集成方面优于传统光耦合器的巨大优势使其成为未来要求苛刻的隔离应用的理想选择。