包海濤，王殿龍，高 媛，王宣平，陳慶紅

（大連理工大學機械工程國家級實驗教學中心，遼寧?大連?116023）

系統(tǒng)的隔離單元是一道屏障，可以讓元件更安全，使用者更方便，但同時也會產生負面作用，比如會限制通信速度，消耗電能，占用PCB的空間。長期以來，隔離的主流設計一直是光耦合器，其功耗較高，帶來了一些如速度、損耗等新問題，使得在一些場合應用受到了影響。隨著科學技術的發(fā)展，新型器件層出不窮，隔離技術應用也是日新月異，這些器件大大改善了傳統(tǒng)技術的弊端，性能得到大幅度提升。其中，基于片上變壓器技術的磁耦隔離技術就非常具有代表性。

1 ?系統(tǒng)的隔離技術

1.1 ?隔離的含義

所謂隔離，就是將系統(tǒng)中各組成單元的地電平、信號，不是直接連接，而是通過非電氣的連接手段，諸如光、電場、磁場，間接連接，切斷電路路徑形成的環(huán)路。隔離電路具有極高的阻抗，從而對干擾和噪聲形成阻隔，能有效防止環(huán)路電流的產生。

1.2 ?隔離的作用

隔離技術應用很廣泛，在系統(tǒng)開發(fā)中非常重要，主要的作用體現在兩方面。

一方面是從設備和人員安全角度考慮。在可能存在設備損壞、人員受傷害的應用場合，常見的諸如電源，無論是線性電源還是開關電源，為了安全通常需要保證輸出級和電網之間是隔離的，即使那些未使用隔離的應用，也會通過堅固外殼的物理隔離保證人員不能直接接觸。同樣，在醫(yī)療設備上要求更高，必須保證系統(tǒng)與電網絕對隔離。

另一方面，在較為復雜的大型系統(tǒng)中，不同的功能單元處在不同區(qū)域，采用分布式獨立供電，區(qū)域間存在電位差，此時為了數據傳輸而共地，就不可避免會形成環(huán)流，對傳輸的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的抗干擾性造成非常嚴重的影響。這在工程應用的各類測控系統(tǒng)中很常見。

1.3 ?常用的隔離方式

隔離一般采用非電氣連接的手段，既保證兩點之間要有信號的傳輸，但又沒有電流的流動。目前，最常用的有3種隔離技術：光電隔離、變壓器隔離、電容隔離。

光電隔離采用的是光耦合技術，利用非電媒介光，先將信號進行電—光的轉換，在透明絕緣隔離層傳輸后，再完成光—電的轉換，這樣就使輸入、輸出實現了隔離。光電耦合具有抗干擾強的特點，不足之處是組成較為復雜，功耗大，速度受限，同時高速光耦成本較高。

變壓器隔離應用非常廣泛，變壓器初級和次級線圈之間彼此獨立沒有直接連接，利用磁場變化傳輸信息通過隔離層。常見的如電源隔離、以太網輸出隔離。變壓器隔離速度較快，但是體積較大，通常用于模擬信號的隔離。

電容隔離也是一類較新的隔離方式。與光耦合器相似，這類器件采用一個高頻振蕩器來把信號通過一對差分電容傳遞出去。利用變化的電場作為傳輸介質，非直接連接，穿透隔離層實現信息傳輸。此種耦合等效于電容極板和極板間的電介質，效率高，體積小，缺點是存在帶寬限制，要求信號頻率遠高于可能出現的噪聲頻率。

2 ?片上變壓器磁耦隔離技術

2.1 ?磁耦隔離的含義

磁耦合隔離是指利用電磁感應原理，把需要傳輸的變化信號加在變壓器的初級線圈，該信號在初級線圈中產生變化的磁場，變化的磁場使次級線圈的磁通量發(fā)生變化，從而在次級感應出與初級線圈激勵信號相關的變化信號輸出。在整個信號的傳輸過程中，初級與次級之間沒有發(fā)生電連接，從而達到隔離初次級的目的[1]。

傳統(tǒng)意義的變壓器隔離體積大，一般用于模擬信號隔離。微電子和MEMS技術的迅速發(fā)展，使得片上系統(tǒng)設計和加工成為可能。借鑒脈沖變壓器原理，采用了MEMS制造技術，將空心微型片狀變壓器與高速CMOS電路相結合，集成在芯片封裝的小體積內，這種變壓器極小，直徑通常小于0.5 mm，兩個線圈之間使用20 μm的聚酞亞氨作為絕緣材料。圖1是空心變壓器的結構組成圖[2]。

2.2 ?磁耦隔離與光耦隔離的差異

傳統(tǒng)的隔離方案中，光耦經過光電轉換作用來實現隔離，方案也比較成熟，直到現在應用仍很廣泛。但與磁耦隔離相比，存在著速度不夠快、功耗過高等缺點。

磁耦隔離芯片所占用的體積更小。使用時無需限流與上拉電阻，數字隔離器邏輯接口不需要外部接口電路支持，只需在供電引腳加一個旁路電容。這些與光耦隔離相比，無疑是大大簡化了電路。還可以使用最多集成5通道隔離器的產品。與光電隔離的方案相比較，可降低70%以上PCB面積消耗。

磁耦隔離具有更低的功耗。磁隔離芯片采用CMOS低功耗電路，通常情況下工作在1 Mbps速率下電流僅為1.0 mA。而光耦完成隔離，必須要經過電-光-電的轉換過程，因此需要驅動發(fā)光二極管，必然會需要較大的工作電流。實驗測算，光耦隔離的功耗是磁耦隔離功耗的10倍，速度越快相差越大。

光耦隔離的抗干擾性非常強，隔離效果很好。電磁耦合從原理上來說易受外部磁場影響，但從結構上看，并不構成影響。片上空心變壓器的體積極小，對其造成干擾，就要滿足電流非常大、高頻、近距離，同時具備這些比較苛刻的條件是有難度的。據實測，在頻率1 MHz，只有把500 A的電流放到距器件5 mm的位置才會有影響。在正常的工況條件下，很難達到這么苛刻的條件，因此抗外部磁場干擾能力還是非常強的。

磁耦隔離具有更高的性能。由于它是高速CMOS技術與片上變壓器技術相結合，因此在速率、傳輸延遲時間、瞬態(tài)共模抑制等方面，均比光耦更有優(yōu)勢。它可以支持的數據傳輸速度高達25 M～100 Mbps，且傳輸延遲小于18 ns，不對稱沿小于2 ns。

2.3 ?磁耦隔離芯片

目前，磁耦隔離技術研究和應用最成熟的是ADI公司，推出了ADuM系列隔離芯片。ADuM系列芯片型號豐富，包括了通用的單通道、多通道、單向雙向等各類隔離器，還針對具體的應用需求開發(fā)了對應芯片，如隔離型RS-232收發(fā)器ADuM3251E、隔離型RS-485/422收發(fā)器ADM2483和SPI總線隔離ADuM1402等，此外針對CAN、USB、DC/DC、AD等外設都有對應產品。

3 ?磁耦隔離的開發(fā)應用

3.1 ?總線隔離

系統(tǒng)總線有非常多的種類，通常用于系統(tǒng)內各外設與處理器之間的通信。在工程應用中必須要考慮其可靠性，隔離就是一種重要舉措。

SPI是串行外設接口的簡稱，是一種同步串行總線接口，是完成微處理器和外圍設備之間的短距離通信的常用形式。SPI總線通常由4個單向單端通道組成，主要包括3個信號，時鐘、串行數據和從器件選擇。SPI應用很廣泛，大量應用在EEPROM、FLASH、實時時鐘、AD轉換器等嵌入式系統(tǒng)外圍元件上。

SPI通信工業(yè)應用，包括工業(yè)自動化、儀表設備和電機控制中使用的分布式控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器和傳感器監(jiān)控器等。在工業(yè)現場電氣環(huán)境比較復雜，節(jié)點間存在較高的共模電壓，容易造成SPI外設不能正常工作，嚴重的會造成不可逆的損壞。因此，從可靠性角度來說，非常有必要對SPI總線各個通信節(jié)點實行電氣隔離。

SPI總線隔離涉及至少4路信號，傳統(tǒng)的方式是使用多片高速光耦6N137，配合使用大量的電阻、三極管來實現，電路復雜體積較大。采用磁耦隔離芯片完成對SPI總線的隔離，只需要一片ADuM1411即可。該隔離器包含了3個輸出1個輸入，單片集成了SPI所需的全部信號，為系統(tǒng)設計提供了一種簡單的信號隔離解決方案。外部存在更多外設時，只需增加隔離芯片即可。

3.2 ?外部通信隔離

現代化的工業(yè)應用，不同系統(tǒng)并不是孤立存在，它們之間通過現場總線互聯(lián)，實現數據信息交互。

RS-485總線是一種用于設備聯(lián)網的、經濟型的、傳統(tǒng)的工業(yè)總線方式，應用非常廣泛。該總線網絡結構簡單，布線成本低，具有較高的性能價格比，可以輕松實現在總線上多機控制。485總線通信屬于系統(tǒng)間的通信，一般距離較遠，最遠甚至可以達到1200 m，因此必須要進行隔離。采用傳統(tǒng)的光耦隔離方案，需要用3片6N137和一個MAX485。采用基于ADM2483磁耦技術方案可以大大簡化設計方案。

ADM2483是ADI推出的一款隔離型RS485收發(fā)器，內部集成了磁耦隔離技術，通信速率可以達到500 kbps，前端工作在5 V/3 V，2.5 mA最大值的功率消耗，隔離電壓可達2.5 kV，總線可掛載256個節(jié)點，16引腳、寬體SOIC封裝。圖2是ADM2483的內部功能圖。

圖 2??ADM2483 內部功能圖

從內部功能圖可以看到，它的組成包括3個單通道的磁耦隔離單元和1個RS485收發(fā)器，其中2個為輸出一個為輸入，與RS485應用中單工雙向通信的需求是一致的。利用ADM2483實現隔離的485總線非常簡單，無需外接限流電阻，從而大大簡化了電路，并且提高了傳輸性能。

ADM2483應用時隔離電源供電只需滿足100 mA即可，前端電源使用3.3 V與處理器共電源，輸出端使用5 V隔離電源，保證了ADM2483輸入輸出不共電源，不共地，保證電路的隔離。

4 ?結語

隔離技術非常有生命力，不可或缺?；诖篷罡綦x技術的數字隔離芯片，采用標準芯片封裝和IC工藝制造，應用時無需外部驅動器或分立器件。在體積與集成度等方面更具有光電隔離無法比擬的優(yōu)勢，可以減小PCB消耗，簡化設計，大幅提高隔離速率并且大幅降低隔離功耗。這些是傳統(tǒng)光耦?隔離技術所不具備的。在大多數應用場合，磁耦隔離芯片是光耦很好的替代者，值得設計者重視。