电感耦合的缺点之一是易受外部磁场(噪声)的干扰。马达控制等工业应用在磁场环境中通常需要隔离。电感耦合另一个值得关注的问题是数字数据与数据游程长度(Data run-length)(连续"1"或"0"的数目)的传输。初级绕组与次级绕组之间的耦合能够以可接受的衰减量传递一定频率范围的信号。数据游程长度的限制或时钟编码要求信号必须保持在变压器的可用带宽范围内。用电感耦合技术的通用数字隔离器要求信号处理随同传输低频率信号(1或0长字符)的方法共同对数字信号进行传输和重新构建。ADI(美国模拟器件公司)推出的iCoupler就使用了编码功能,并提供了支持从DC到100Mbps运行范围的数字隔离解决方案。
ADuM磁隔离是对ADI推出的ADuM、ADM系列数字隔离芯片的统称,是目前应用最为广泛的电磁隔离系列产品。ADuM磁隔离芯片采用ADI专利的iCoupler技术,即芯片级变压器隔离技术,来实现数字信号的隔离传输。
如所示,对于输入ADuM磁隔离芯片的数字信号,会先经过一个施密特触发器进行脉冲信号调整,使输入的波形为标准的矩形波。然后经过编码电路,以边沿触发的形式,将上升沿编码成一个1ns宽的脉冲;而将下降沿编码成两个1ns宽的脉冲。经变压器耦合,然后经过解码电路以相同的原理将信号还原,再经过施密特触发器进行脉冲信号调整后,将信号输出。
图 7‑7 ADuM磁隔离背部结构
此外,ADuM磁隔离芯片还独具直流较正功能,如果输入端逻辑电平超过2US都没有任何变化,则校正电路会产生一个适当极性的校正脉冲,以确保变压器直流端输出信号的正确性,如果解码器一端超过5US都没有收到任何校正脉冲,则会认为输入端已经掉电或不工作,由看门狗电定时器电路,将输出端强行置为固定状态。这对低速率信号或直流信号具有很重要的意义。
电磁耦合的主要缺点是对外部磁场(噪声)的磁化和受外部磁场干扰,那么ADUM系列在这方面的性能如何呢?iCoupler器件受外部磁场的影响较小,因为变压器的尺寸极小,其直径大约只有0.3mm。例如我们将一个频率为1MHZ的电流置于距离iCoupler变压器5mm远处,要想破坏iCoupler的性能,其电流必须达到500A。这是一个频率较高强度较大的磁场。尽管采用iCoupler器件的系统中包含了发电机、电动机和其它涉及到强磁场的设备,但是还没有任何一个客户的应用会达到甚至接近这么高的磁场,所以,iCoupler产品抗外部磁场干扰能力极强。
ADuM磁隔离芯片采用磁隔离技术,与光耦的光电转换有着本质的区别。不仅克服了光耦的体积大、老化、速率低、功耗高等缺点,还集成了RS485、RS232等各种通讯功能。
(1)体积小:最多集成5通道隔离,可降低70%以上PCB面积。
iCoupler磁耦产品是用薄片加工技术制造的,因此,多隔离通道能够有效地与其他半导体功能结合起来,例如下图显示了一个典型的使用光耦的多路隔离设备和iCoupler磁耦技术在尺寸和成本上的比较。在插图中我们可以看到,iCoupler磁耦技术在整体上的好处是能够减少40%~60%的尺寸和成本。
图 7‑8 iCoupler磁耦技术与传统光耦隔离技术PCB示意图
(2) 性能高:更高的速率、更快的传输时间,瞬态共模抑制达25kv/?s。
因采用高速CMOS技术与芯片级变压器技术相结合,因此在速率、传输延迟时间、瞬态共模抑制等方面均有光耦无法比拟的优势,可整体提升产品性能10倍以上。下图提供了ADuM1100与两颗光耦的四个时间参数。
(3)低功耗:最低可达0.8MA/通道。
光耦因需要驱动发光二极管,所以一般需要较大的工作电流。而ADuM磁隔离芯片采用CMOS电路,功耗仅相当于光耦的1/10.
(4)简化电路:无需限流与上拉电阻。