在許多工業應用中，例如過程控制系統或數據采集和控制系統，數字信號必須從各種傳感器傳輸到中央控制器進行處理和分析。然后，控制器需要根據所執行的分析結果傳輸命令，并將用戶輸入耦合到各種執行器，以實現某些操作。為了在用戶界面上保持安全電壓并防止瞬變從電源傳輸，需要電氣隔離。有三種常見的隔離器件：光耦合器、容性耦合隔離器和基于變壓器的隔離器。

光耦合器依靠發光二極管將電信號轉換為光信號，依靠光電探測器將光信號轉換回電信號。電光轉換和低響應光電探測器固有的低轉換效率導致光耦合器在壽命、速度和功耗假設方面受到限制。電容耦合隔離器在尺寸和抑制共模電壓瞬變的能力方面存在局限性，而傳統的基于變壓器組件的隔離器體積龐大且價格昂貴。此外，由于集成電路集成的限制以及它們經常需要混合封裝的事實，所有這些隔離器都受到限制。

ADI公司開發了基于芯片級變壓器的新型隔離技術i耦合器。首款產品ADuM1100單通道數字隔離器批量生產。i耦合器技術利用厚膜處理技術構建微尺度片上變壓器，并在芯片上實現數千伏隔離。i耦合器隔離變壓器可與標準硅IC單片集成，并可采用單通道或多通道配置制造。電感耦合的雙向特性進一步促進了雙向信號傳輸。這些片上變壓器的高帶寬與精細CMOS電路相結合，使隔離器在功率、速度、定時精度和易用性方面具有無與倫比的性能特征。

ADuM1100架構：單通道數字隔離器

ADuM1100是一款單通道100 Mbps數字隔離器。該器件具有兩個采用 8 引腳 SOIC 封裝的 IC。ADuM1100的剖面圖如圖1所示。封裝內有兩個引線框架焊盤，它們之間的間隙約為0.4 mm。模塑料的擊穿強度超過25 kV/mm，因此填充有模塑料的0.4 mm間隙可在兩個IC芯片的基板之間提供大于10 kV的絕緣。

圖 1a.采用1100引腳SOIC封裝的ADuM8的橫截面圖;圖 1b.頂部線圈和聚酰亞胺層的橫截面圖。

位于左側槳片上的驅動器芯片接收輸入的數字信號，對其進行編碼，并通過鍵合線將編碼的差分信號驅動到位于右側槳片上的接收器芯片頂部的變壓器的頂部線圈。驅動器芯片是標準CMOS芯片，接收器芯片是CMOS芯片，在鈍化之上制造了兩個聚酰亞胺層和變壓器初級線圈的附加結構。頂部和底部線圈之間的聚酰亞胺厚度約為 20 mm。該聚酰亞胺的一些主要特性如表1所示。固化聚酰亞胺薄膜的擊穿強度大于300 V/μm，因此20 m聚酰亞胺在給定變壓器線圈之間提供大于6 kV的絕緣。這為3 kVRMS的生產測試電壓提供了舒適的裕量。由于這些晶圓加工聚酰亞胺薄膜的結構質量，即使在5 kVRMS下也無法檢測到超過3 pC的局部放電。頂部線圈鍍金，層厚4μm，線圈軌道寬度和匝間間距均為4μm。聚酰亞胺層具有良好的機械伸長率和拉伸強度，這也有助于聚酰亞胺層之間或聚酰亞胺層與沉積金屬層之間的粘附。金膜和聚酰亞胺膜之間的最小相互作用，加上聚酰亞胺膜的高溫穩定性，使系統在受到各種類型的環境應力時提供可靠的絕緣。

除了片內可實現數千伏隔離外，ADuM110還可以非常高效、準確、可靠地傳輸非常高帶寬的信號。圖3是ADuM1100的簡化原理圖。為保證輸入穩定性，前部毛刺濾波器濾除比脈沖寬度窄約2 ns的脈沖。接收到信號邊沿后，向線圈1或線圈1發送2 ns脈沖。（對于前沿信號，它被發送到線圈 1，對于下降沿信號，它被發送到線圈 2。一旦短脈沖被傳輸到次級線圈（在本例中為底部線圈），它們就會被放大，輸入信號通過SR觸發器重建，顯示為隔離輸出。這些微尺度變壓器和高速CMOS的寬帶寬使得這些短納秒脈沖的傳輸成為可能。由于僅使用信號邊沿，因此這種傳輸方案非常節能。對于一個非常有能量的脈沖，其電流在100 ns內斜坡上升到1 mA，平均如圖2所示。ADuM1100接收器芯片對于1 Mbps輸入信號的電流僅為50 μA。一些額外的功率通過切換包圍的CMOS柵極而消耗。

圖3.ADuM1100電路圖

在5 V電壓下，如果CMOS柵極的總電容為50 pF，則需要額外的20 μA/Mbps。另一方面，典型的光耦合器功耗超過10 mA，即使工作速率為1 Mbps。這意味著i耦合器隔離器的功耗提高了兩個數量級（100 ×）。

如果在一段時間內（大約1 μs）沒有輸入變化，則單穩態產生1 ns脈沖并將其發送到線圈1或線圈2，具體取決于輸入邏輯電平。如果輸入為高電平，則1 ns刷新脈沖發送到線圈1，如果輸入為低電平，則發送到線圈2。這有助于保持隔離器的直流正確性，因為通常脈沖僅在接收到信號邊沿時傳輸。接收器包括一個看門狗電路，如果未被輸入脈沖復位，該電路將在2 μs時超時。如果發生超時，接收器輸出將返回到默認安全電平（ADuM1100中的邏輯高電平）。刷新和看門狗功能的組合提供了檢測系統側任何現場設備故障的額外優勢。對于其他隔離器，這通常需要使用額外的隔離數據通道。

隔離器的帶寬取決于內部的輸入濾波器帶寬。例如，使用500 ns輸入濾波器可以實現2 Mbps。對于ADuM1100，我們選擇了100 MBd的信號帶寬，仍比最快的光耦合器快2×。由于這些微尺度片上線圈之間的電感耦合的瞬時特性，輸入和輸出邏輯信號之間也保持了非常緊密的邊沿對稱性。ADuM1100在2 V工作電壓下邊沿對稱性優于5 ns。隨著隔離系統帶寬的不斷擴大，i耦合器技術將能夠應對這一挑戰，而光耦合器技術可能會陷入困境。表2總結了ADuM1100數字隔離器提供的i耦合器技術的現有性能特征。

除了耦合器技術提供的效率和帶寬改進外，它還提供了比競爭產品更強大、更可靠的隔離解決方案。由于許多數據采集和控制系統中都存在高壓瞬變，因此隔離器防止瞬變影響邏輯控制器的能力非常重要。高性能光耦合器的瞬態抗擾度小于10 kV/μs，而ADuM1100的瞬態抗擾度優于25 kV/μs。接收器輸入端由輸入-輸出瞬態引起的感應誤差電壓由下式給出：

其中：

C是輸入線圈和接收器線圈之間的電容

R是底部線圈的電阻

dV/dt是瞬態的幅值

在ADuM1100中，頂部（輸入）線圈和底部（接收器）線圈之間的電容僅為0.2 pF，而底部線圈的電阻為80 Ω。因此，頂部線圈上25 kV/μs瞬變在底部線圈上感應的誤差信號僅為0.4 V，遠小于接收器檢測閾值。i耦合器隔離器的瞬態抗擾度可以通過仔細選擇解碼器檢測閾值、接收線圈的電阻，當然還有頂部和底部線圈之間的電容來優化。

關于基于變壓器的隔離器，一個反復出現的問題是其抗磁能力。由于i耦合器采用空心技術，因此不存在磁性元件，不存在磁芯材料的磁飽和問題。因此，i耦合器基本上具有無限的直流磁場抗擾度。ADuM1100的交流磁場抗擾度限制取決于接收線圈（本例中為底部線圈）中的感應誤差電壓足夠大，以錯誤設置或復位解碼器的條件。底部線圈兩端的感應電壓由下式給出：

其中：

β= 磁通密度（高斯）
N = 接收線圈的匝數
rn= 接收線圈中第 n 圈的半徑 （cm）

由于ADuM1100中接收線圈的幾何尺寸非常小，因此即使導線在1000 MHz時承載1 A電流，且距離ADuM1僅1100 cm，也不會產生足以誤觸發解碼器的誤差電壓。請注意，在強磁場和高頻的組合下，由印刷電路板走線形成的任何環路都可能產生足夠大的誤差電壓，以觸發后續電路的閾值。通常，PC板設計而不是隔離器本身是存在如此大磁瞬變的限制因素。

除了抗磁性外，i耦合器器件發出的電磁輻射水平也是一個問題。使用遠場近似：

其中：

P = 總輻射功率
I = 線圈環路電流

同樣，考慮到線圈的幾何形狀非常小，即使該器件的工作頻率為50.0 GHz，總輻射功率仍小于5 pW。

ADuM130x/ADuM140x： 多通道產品

除了前面討論的許多性能改進外，i耦合器技術在集成方面也具有巨大的優勢。光干擾使得多通道光耦合器的實現非常困難。基于i耦合器技術的變壓器可以很容易地集成到單個芯片上。此外，一個數據通道可以在一個方向上傳輸信號，例如從頂部線圈傳輸到底部線圈，而相鄰通道可以在另一個方向上傳輸信號，從底部線圈傳輸到頂部線圈。電感耦合的雙向特性使這成為可能。

ADI公司目前正在對ADuM130x/ADuM140x系列多通道產品進行采樣，該系列產品由3種4通道和3通道產品組成，涵蓋所有可能的通道方向性配置。除了提供靈活的通道配置外，它們還支持隔離柵兩側的5 V和2 V工作電壓，并支持將這些隔離器用作電平轉換器。例如，一側可能為7.5 V，而另一側可能為5.2 V。在 –40°C 至 100°C 的所有溫度下，所有可能的電源配置都能保持 <> ns 的邊沿對稱性。在單個封裝中混合雙向隔離通道的能力使用戶能夠減小其系統的尺寸和成本。

ADuM1100使用兩個變壓器傳輸單通道數據。一個專用于傳輸表示信號前沿或更新輸入高電平的脈沖，另一個專用于傳輸表示信號下降沿或更新輸入低電平的脈沖。對于ADuM130x/ADuM140x產品系列，每個數據通道使用單個變壓器。圖140所示的ADuM4x共有四個變壓器。前沿和下降沿的編碼方式不同，編碼的脈沖組合在同一變壓器中;因此，接收器負責解碼脈沖，以查看它們是前沿還是下降沿。然后相應地構建輸出信號。

圖4.ADuM140x芯片照片

當然，每個數據通道使用一個變壓器而不是每個數據通道使用兩個變壓器是有代價的。單變壓器架構的傳播延遲較長，因為需要額外的編碼和解碼時間。即使在 100 Mbps 的輸入速度下，帶寬的損失也幾乎不是一個因素。

圖5.使用四通道隔離器ADuM1401實現的SPI接口。

與ADuM1100相比，ADuM130x/ADuM140x使用專用變壓器芯片，與接收器集成電路分開。這種分區體現了i耦合器技術的易于集成。除了獨立的多通道隔離器外，i耦合器技術還可以與其他數據采集和控制IC嵌入，使隔離的使用更加透明。因此，在未來，系統設計人員將能夠將時間投入到改進系統功能上，而不必擔心隔離。

圖6.使用4通道ADuM1401時，隔離SPI接口只需要三個元件，占用160 mm2.

總結

與傳統光耦合器相比，i耦合器產品在功耗、信號帶寬、魯棒性和易于集成方面具有巨大優勢，使其成為未來要求苛刻的隔離應用的理想選擇。

審核編輯：郭婷