不恰當的隔離電路設計導致設備損壞，甚至人員觸電事故的事例并不少見，為此業界提出了很多安全隔離設計性能要求以及系列強制認證標準，設計中必須采用恰當的隔離措施。除了安全上的考慮，采用隔離措施還有助于降低接地環路噪聲。

然而，隔離措施不可避免地會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。尤其是多年來，實現安全隔離的手段通常唯一合理的選擇就是光耦合器。隨著近幾年數據傳輸的速度不斷提升，系統功耗、成本、尺寸日益敏感，以及對性能提出越來越苛刻的要求，傳統的光耦合器也暴露出諸多缺點——電路體積大，集成度不高，而且光耦合器件本身具有易損耗、速度較慢(一般的數據速率低于1Mbps)、耗電量大等缺點。特別是在溫度和老化變化過程中的性能極不穩定，為其應用帶來很多局限，在工業、醫療等對功能特性要求較高的應用中這些問題尤其突出。

數字隔離超越光耦全面滿足隔離之需

隔離器的主要結構大致有四種: 一是傳統光電耦合；二是集成式變壓器(磁耦合)；三是集成式電容耦合；四是分立式變壓器耦合。為了克服光電隔離技術的諸多缺點，許多半導體公司開始研發非光電耦合的隔離器解決方案。ADI公司是最早一家推出新型數字隔離器解決方案的公司，并于2001年率先推出基于其專利iCouple磁耦隔離技術的標準數字隔離產品。

圖1：iCoupler芯片級變壓器結構圖

iCoupler技術是基于芯片尺寸的變壓器，每個iCoupler通道都由CMOS接口電路和芯片級變壓器組成。iCoupler器件的關鍵就是這個能夠穿越隔離絕緣體，發射并接收信號的平面變壓器，在提供隔離功能同時還消除了光耦合器中光電轉換包括功耗過大、較大時序誤差和數據速率低等問題。獨特的結構使iCoupler數字隔離器實現了領先光電耦合器件的諸多性能優勢：靜態/動態電流更小，功耗僅為光電耦合器的1／10～1／50；可實現數千伏(5000V) 的隔離，其高耐壓的關鍵在于發送和接收變壓器的頂層和底層線圈之間，采用厚達20μm的聚酰亞胺材料作為隔離層；傳輸速度更快，遠高于傳統光耦，高達150Mbps；壽命更長，在耐高壓和耐擊穿的使用范圍內壽命甚至可達50年；可以集成標準CMOS工藝下的其他功能；可以在芯片內部實現隔離電源，并具有更小的體積和厚度。

圖2：光耦合器與iCoupler數字隔離器的性能對比

這些產品可廣泛應用于幾乎所有的應用，包括醫療設備、儀器儀表、網絡設備、電池充電系統、工業過程控制、新能源、照明與樓宇控制、汽車系統、工業現場總線，等等。目前，全球已有超過8.5億個隔離通道采用了iCoupler技術。本文將分享三個典型應用案例，看iCoupler在這些系統設計中能帶來哪些不一樣的性能特性。

一、工業應用中的隔離方案選擇

工業應用的獨特環境對隔離技術有不同于其他系統設計的要求，這些要求包括更寬的環境溫度，更高的可靠性和更高的性能。此外，成本、集成度、功耗等特性也是很多設計必須兼顧考慮的因素。

電磁流量計是典型工業應用產品之一。電磁流量計因其無壓力損耗，且不受粘度、流體密度、溫度、壓力或電導率的影響，受到紙漿、泥漿、污水等高精度測量應用市場的歡迎。然而，由于系統電源、中央邏輯單元、通信和I/O之間需要1 kV至2.5 kV不等的隔離，要求能夠連接不同的現場總線，必須進行恰當的隔離。

過去的電磁流量計多采用光耦器件實現系統中的電氣隔離要求。但是，由于電磁流量計內部的空間有限，系統密度很高，因而對器件尺寸很敏感。而對于便攜式電磁流量計來說，除了尺寸敏感外，器件功耗也是極為關鍵的考慮要素。近年來，越來越多的電磁流量計廠商在隔離電路中舍棄了光耦器件，轉而采用更具整體性能優勢的iCoupler隔離技術。電磁流量計產品國內領先廠商Chengbo就是其中之一，該公司在其早期的產品設計中，采用了光耦器件，基于成本、性能、尺寸和集成復雜度方面的綜合權衡，在新的設計中他們采用了四通道的iCoupler數字隔離技術來實現隔離，有效地將PCB占位面積降低60%，僅需90mm×80mm的PCB面積。除此之外，新的設計中，僅隔離電路部分就實現了90%功耗節省。

圖3:某知名企業的四通道光耦合器件(左圖)與ADI四通道iCoupler（右圖）的封裝尺寸對比。

廣泛的產品系列為此類應用提供了更具針對性的選擇。業界具有大量應用的ADI公司電磁流量計參考設計中就采用了1kV四通道數字隔離器ADuM7441實現基本的電氣隔離。與大部分四通道隔離器采用16引腳SOIC寬體封裝不同，該器件采用小型16引腳QSOP封裝，相比之下可節省幾乎70%的電路板空間，卻仍能耐受高隔離電壓，并且符合UL和CSA標準（正在申請中）等法規要求。此外，ADuM7441功耗極低，在高達25Mbps的數據速率下，其功耗僅為同類隔離器的十分之一至六分之一。如果設計需要2.5kV的隔離等級，還可以選擇雙通道數字隔離器ADuM320x或四通道數字隔離器ADuM140x，此兩個系列的數字隔離器同樣基于ADI公司iCoupler技術，同樣具有卓越的低功耗特性，非常適合電池供電的電磁流量計的設計。

電力計量中，iCoupler數字隔離技術同樣形成了對傳統光電耦合器的替代趨勢。兼容直流的電流互感器一直用于檢測智能電表中的交流電流，但它有一些缺點，而且很昂貴。對于某些應用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因為它價格低廉、具有高線性度并且抗磁場干擾。然而，分流電阻不具有電流互感器所固有的電氣隔離特性。在要求隔離的智能電表中，采用隔離電源技術的數字隔離器與分流電阻結合可提供一種良好的解決方案。iCoupler數字隔離器由于性能優于傳統的光耦合器，并且支持多種串行通信(SPI、I2C或UART)，獲得電力計量企業的大量采用。ADI在2012年更專為三相電能計量應用而推出了集成ADI公司的iCoupler和isoPower專利技術的一款3通道、Σ道、型ADC術的一款能計量應用，通過額定5kV的隔離勢壘實現隔離信號傳輸和DC-DC電源轉換，從而可使用分流電阻傳感元件，而非電流互感器，大大降低成本而且不受磁場干擾和竊電篡改的影響。

二、醫療應用，iCoupler解決安全至關重要的隔離需求

IEC-60601-1、EN 6061-1-2和UL 6061-1等系列標準是關于醫療電子產品的基礎安全標準，對觸電危害防護要求有明確的規定，隔離技術的應用是滿足這些標準要求的關鍵。為滿足這些標準，安全通信解決方案領域全球領先企業Lantronix就在其新型EDS-MDn多端口醫療設備服務器的每一個端口都采用了iCoupler數字隔離技術實現其電流隔離。EDS-MD的電流隔離功能可為諸如此類連接設備提供最高等級的安全性，有助于確保將接地故障、功能故障等限制在單個端口，避免影響EDS-MD本身或者其他連接設備的完整性或可用性。

借助這些隔離器，Lantronix的設計工程師們得以增加隔離通道的總數，最終使數據速率和時序規格比基于光耦合器的設計提高了4倍。通過放棄體積較大的光耦合器和其他額外的外部元件，Lantronix的設計師們還降低了系統尺寸、提高系統集成度，同時降低了整體設計的復雜性和成本。與競爭產品相比，EDS-MD元件數的減少使電路板總空間降低了40%，進而有助于護理點節省寶貴的床邊空間。iCoupler數字隔離器的功耗比光耦合器最多低90%，為Lantronix的EDS-MD設計工程師帶來了更大的設計靈活性，使其可以輕松實現功耗目標。

圖4：Lantronix新型EDS-MDn多端口醫療設備服務器。

類似的應用還有很多——中國最大的醫療器械制造商之一的北京超思電子在其全功能病人監護儀MMED6000DP系列產品中，同樣舍棄一直沿用的光耦器件而采用了iCoupler數字隔離產品。iCoupler和isoPower技術組合為MMED6000DP提供了最佳的隔離平臺，使該監護儀在滿足5kV的隔離等級條件下，性能、集成度、成本和尺寸多個方面實現對光耦隔離方案的全面超越。

三、高集成度、小尺寸優勢滿足高密度航空應用

衛星的電源系統至關重要，任何故障都有可能給航天器造成嚴重損壞，使其無法完成任務。西門子航空航天業務集團PowerSCOE項目就是這樣的系統，該系統每個通道都包含輔助模擬輸入及數字和模擬輸出，因此最大的挑戰是要確保100個通道彼此隔離。PCB上有100多路模擬和數字I/O，面對如此高的PCB密度，傳統的光耦合器和DC/DC轉換器解決方案已無能為力。

該系統最終采用了ADI公司高度集成的iCoupler數字隔離技術。集成隔離式isoPower DC/DC轉換器的數字隔離器基于iCoupler技術，在5.0 V電壓（5.0 V輸入電源）或3.3 V電壓（3.3 V或5.0 V輸入電源）下，隔離器集成的DC/DC轉換器可提供最高500mW的隔離穩壓電源。iCoupler芯片級變壓器技術提供隔離電源并用于隔離四通道的邏輯信號，低功耗隔離設計中無需使用分立的隔離式DC/DC轉換器。因此，與光耦合器和分立解決方案相比，這種解決方案所用的器件更少，尺寸更小，成本效益更高。

利用高度集成的數字隔離器，西門子航空航天業務集團的設計工程師得以提高一個控制模塊所容納的隔離數據端口數量，而無需加大模塊尺寸，即使每個端口都需要自己的隔離電源。PowerSCOE保護板具有170個iCoupler器件。如果使用其它解決方案，如光耦合器和分立式隔離式DC/DC轉換器，控制模塊將遠大于目前的尺寸380 mm x 470 mm。

本文總結：

利用iCoupler數字隔離器，設計工程師可以擺脫傳統設計中采用光耦合器所帶來的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性方面的制約，在設計中實現出色的隔離性能。ADI提供了豐富的iCoupler數字隔離產品系列，這些產品包括：從單通道到6通道的標準隔離器；集成隔離電源的數字隔離器——isoPower；USB隔離器；隔離MOSFET驅動器；集成隔離技術的開關穩壓電源；I2C總線數字隔離器；CAN總線隔離收發器；RS485隔離收發器；RS232隔離收發器；Σ-Δ隔離調制器。這些器件可以全面滿足各種系統隔離之需。

選擇恰當的隔離技術，還需要了解應用中的隔離強度需求，需要確定以下問題：實際應用中的工作電壓；設備所處電網條件(220V民用電網/工業用電網)；實際的應用環境(海拔高度/濕度條件/溫度條件/污染條件)；應用中采取的隔離保護級別；保護對象類型(功能性隔離/基本安全隔離/增強型安全隔離)；該應用應該符合哪個具體國際安全規范；等等。此外，您還應該了解自己對隔離器工作速度和接口的要求：在該應用中的最高速率是多少？一個封裝中需要多少個通道？在該應用中的時序要求（例如信號延遲的要求），以及是否需要集成其他功能(I2C/USB/RS-485/集成隔離電源)。無論有怎樣的需求，基于iCoupler技術的ADI數百款數字隔離器幾乎完全能滿足應用所需。