采用isoPower技术的iCoupler产品：利用微型变压器隔离信号和电源
引言
出于安全和数据完整性考虑,通常需要在电路元件之间进行隔离。例如,隔离可以保护系统端敏感的电路元件和人界面免受现场端存在的危险电压的损害,现场端驻留比较鲁棒性的元件,例如传感器和执行机构。隔离还可以消除影响数据采集精度的共模噪声和接地环路问题干扰。虽然可以采用传统的光耦合器或ADI公司的iCoupler隔离器完成通过隔离阻障的数据传送,但是主要的挑战和共同难题是找到一种将电源从非隔离的系统端传送到被隔离的现场端的方法。本文讨论了通过采用ADI公司最新的iCoupler产品——集成的电源隔离和数据信号隔离新方法解决这个难题的技术背景。
迄今为止,经过隔离阻障传送电源一般需要两种方法,一种方法是分立的DC/DC变换器,其尺寸相当大、成本高而且隔离度不够;另一种方法是定制的分立方法,它不仅体积大而且难于设计和连接。这两种方法已是唯一可行的替代方法,即使是在只需要低隔离电源(例如数据采集模块)的应用场合。
ADI公司最近推出了一种完整而且完全集成的隔离解决方案——采用微型变压器经过隔离阻障传送信号和电源,解决了上述问题。我们将iCoupler技术的扩展称为isoPower技术,是又一种创新的解决方案。在一颗单芯片内提供信号和电源隔离功能,无需体积大、成本高、难设计的隔离电源,并且提供了高达5 kV足够的隔离度。它可以显著降低隔离系统的总成本、印制电路板(PCB)面积和设计时间。一种采用isoPower技术的双通道iCoupler器件如图1所示,其面积缩小90%,成本降低70%。
图1 传统方法与isoPower方法的成本和尺寸比较
采用isoPowe r技术的iCoupler隔离器件
集成的DC/DC变换器包括采用的变压器开关、整流二极管和最重要的变压器。通过采用达300 MHz的高开关频率减小变压器尺寸以便能够将其尽可能整合在一个完整的隔离解决方案中。这与磁芯变压器中采用的方法正好相反,在磁芯变压器中磁芯的渗透率在高频的时候开始降低,从而导致明显的磁芯损耗,降低效率。此外,磁芯还可能会折衷变压器的额定隔离电压。然而,无磁芯的iCoupler变压器可以在更高的频率下工作而且实现起来要简单得多。
图2 iCoupler变压器线圈的截面图
iCoupler器件中所采用的微型变压器构造在CMOS衬底的上方。图2示出了隔离变压器结构的截面图,图3示出了一张带有电源和信号变压器的管芯照片。通过为初级和次级线圈镀了一层6mm厚的镀金,将变压器串联电阻值减到了最小。初级和次级端之间的20mm厚的聚酰亚胺层提供耐压高达5 kV的高压(HV)隔离。底部线圈下面增加一层5mm厚的聚酰亚胺有助于减小衬底电容和衬底损耗。利用可提供的IC下面的金属层精心设计带图案的接地屏蔽层可以进一步降低衬底损耗。对于
