对设计师来说，大约45年前涌现的当代光耦合器是一个巨大的进步。它们许可在电源掌握电路中实现反馈，在通信电路中实现旗子暗记隔离以中断接地环路，以及对高端功率晶体管或电流监控器进行通信。
20世纪70年代，光电器件大量呈现。这些器件影响了RS-232、RS-485等通信标准，以及4至20mA电路环路和DeviceNet及PROFIBUS等工业总线的发展。受隔离器件本身限定的影响，光隔离的功能决定了这些通信总线的诸多特性。在接下来的20年中，隔离技能的发展变革基本上属于量变，而到了2000年，市场上涌现了首批新型芯片级数字隔离器。这些新器件以感性耦合技能为根本，采取芯片级变压器、GMR材料以及后来的差分容性耦合技能。与较老的光耦合器比较，这些新技能可以实现超高的速率和超低的功耗水平，然而，受当时履行的标准限定，新器件的许多功能(如高速率)并未得到充分利用，由于现行标准接口并不须要这些功能。
在数字隔离器采取标准封装和IC工艺制造其编码和解码电子元件之后，数字化功能的添加变得十分简便。低功耗、对低电源电压的支持以及高集成度成为非光学隔离器的紧张设计上风。能大幅提高隔离速率并且大幅降落隔离功耗的新技能可以支持哀求最为苛刻的新接口标准。目前，数字隔离器的功耗(远远低于光耦合器)须要低两至三个数量级才能进入新的运用空间。到目前为止，高性能隔离还不能实现这一目标。
各种技能的比较
隔离器件性能的快速发展是数据编码方案与数据传输所用介质的效率共同浸染的结果。在本文中，我们将集中谈论决定功耗的各个方面。编码和解码方案可以大致分为基于边沿编码脉冲的系统和电平编码系统。大略而言，基于电平的系统必须持续地将能量推过隔离栅，以保持一个主动输出状态，同时，通过不超越隔离栅发送能量来表示被动输出状态。
在光耦合器中，光会对能量传输进行调度，与直接建立电场或磁场比较，其效率较低，并且在吸收元件端，其检测效率较差。因此，大略的晶体管或基于PIN二极管的光耦合器须要花费大量电能来产生光，以使输入保持开启状态，但吸收器只需花费很少的电能即可吸收旗子暗记。这一点可以在表1中看出，个中列出了PIN二极管吸收器光耦合器的功耗。均匀而言，这类光耦合用具有高输入电流和低输出电流的特点。较高速率的数字光耦合器通过在吸收器中增加有源放大模块的办法，减少了坚持某种状态所须要的光量。这就降落了LED所须要的均匀电流，但吸收用具有相对较大的静态电流，因此，其功耗并未真正降落——只是推到了吸收器端。降落所需功耗须要提高LED和吸收器元件的效率，或者变动编码方案。这便是光耦合器技能在如此长的韶光中，只取得了量酿成长的缘故原由所在。
在许多容性耦合数字隔离器中，系统实际上与光耦合器相似。这类器件采取一个高频振荡器来把旗子暗记通过一对差分电容通报出去。该振荡器，非常像光耦合器中的LED，须要花费电能以发送主动状态，并关闭以发送被动状态。吸收器配有有源放大器，在两种状态下都要花费偏置电流。如表1所示，由于电容的耦合效率较高，总功耗要显著好于光耦合器选项。须要把稳的是，如果采取感性耦合而非容性耦合技能，数字隔离器的功率水平大致与之相称。在这种情形下，决定最低功率水平的紧张是编码方案，在低数据速率下尤其如此。
ADI出品的iCoupler型数字隔离器(如ADuM140x系列)采取了另一种编码方案，如图1所示。在该方案中，边沿在输入端检测并编码成脉冲。在ADuM140x中，一个脉冲代表一个低落沿，两个脉冲表示一个上升沿。这些脉冲通过小型片内脉冲变压器耦合至次级绕组。吸收器对脉冲计数，并重构数据流。脉冲本身具有出色的鲁棒性，可以得到精良的信噪比，但其宽度只有1ns，因此，每个脉冲的能量是很低的。结果产生非常好的属性，即当没有数据发生变革时，输出真个状态会被锁存保持，险些不消耗电能。这意味着，功耗便是脉冲流中传输的集成电能加上一定的偏置电流。随着数据速率的低落，功耗呈线性低落，直到直流为止。同样，导致功耗减少的是编码方案而不是特天命据传输介质，该方案可以在容性，乃至光学系统中实现。
图1.基于脉冲的编码方案
脉冲编码方案并非低功耗的灵丹灵药。其缺陷是，如果输入端无逻辑变革，则不会将数据发到输出端。这意味着，如果存在因启动序列导致的直流电平差，则输入端和输出端将不匹配。ADuM140x办理了这个问题，其方法是在输入通道上实现一个刷新看门狗计时器，如果在超过1μs的韶光内未检测到活动，则会重新发送直流状态。这种设计的结果是，当数据速率低于1Mbps时，该编码方案不再连续减少功耗。器件基本上始终运行在至少1Mbps的速率下，因此，在低数据速率下，功耗不会连续低落。即便如此，与表1所示电平敏感型方案比较，脉冲编码方案的均匀功耗较低。
表1.隔离器每通道功耗比较(VDD=3.3V，100kbps)
进一步降落功耗
ADuM140x脉冲编码方案最初是针对高数据速率而非绝对最低功耗而优化的。该编码方案在降落功耗方面潜力巨大，尤其是在直流至1Mbps频率范围内。这一数据范围正是多数隔离运用所利用的范围，尤其是哀求低功耗的隔离运用。基于4通道ADuM144x和2通道ADuM124xiCoupler技能的系列器件采取了以下创新技能。
1.设计采取较低电压CMOS工艺实现
2.全部偏置电流均经由评估，并尽可能将偏置降至最低或完备肃清
3.将刷新电流的频率从1MHz减至17kHz
4.刷新电路可以完备禁用，以实现最低功耗
功耗为频率的函数，如图2所示(相较于ADuM140x)。对付ADuM140x，刷新导致的曲线“膝部”在1Mbps时清楚可见，对付ADuM144x，当启用刷新时，则在17kbps下清晰可见。ADuM144x的范例每通道功耗，在1kbps下要低65倍，而在完备禁用刷新功能时，则大约低1000倍。
图2.ADuM144x和ADuM140x器件在VDDX=3.3V条件下的每通道总功耗
为什么功耗低落这么多很有用？在以下三种运用中，传统光耦合器和数字隔离器要么勉强合格，要么完备不可用。
4mA至20mA隔离环路供电现场仪表
图3.搭载HART调制解调器支持的隔离式、环路供电型智能传感器前端
环路供电型现场仪表的功耗预算十分有限，由于全部电能均来自4mA环路电流。幸运的是，环路常日可以供应足够的电压，一样平常为24V，可以从系统得到大约100mW的功率。全体运用将花费大约12V环路电压(4mA)。在该预算范围内，大略的DC-DC转换器为隔离式传感器、模数转换器(ADC)和掌握器供电。即便假定DC-DC转换用具有较高的效率，且电压降压比例为2:1，则范例传感器前端可供应的功率小于4mA(3.3V)。环路真个功耗预算大致相同。紧张接口是连接ADC的SPI总线。隔离接口的每一端均由环路供电，还有掌握器的全部ADC以及旗子暗记调理元件都是由环路供电。表2所示为每种隔离技能下的一个4线SPI总线的功耗。SPI1为隔离的环路端电流，SPI2为所须要的传感器端电流。光耦合器在隔离接口的每一端都将花费多倍于功耗预算的电能。容性数字隔离器将花费现场仪表的全部功耗预算。ADuM1401代表着一种可能性，但系统别的部分的功耗预算十分勉强，即便只支持连接ADC的单个SPI接口。采取iCoupler技能的超低功耗数字隔离器ADuM1441的功耗非常低，仅占功耗预算的很小一部分。该技能不但许可运用在其功耗预算范围内正常事情，同时许可添加第二个4通道隔离器，以支持HART调制解调器接口和智能前端掌握器，如图中虚线部分所示。功耗超低的iCoupler技能可以实现以前的隔离运用不可能实现的新功能。
表2.一个100kbps隔离式SPI接口的每一真个总功耗
以太网供电I2C通信总线
图4.搭载隔离式I2C和中断的POE、4端口掌握器
诸如以太网供电(POE)一类的电信类运用从相对较高的电压轨得到电能，该电压轨供应以太网电能。掌握通信接口必须从隔离式DC-DC转换器或者通过–54V总线电压稳压器得到电能。在图4所示示例中，3.3V的I2C掌握总线通信接口由POE掌握器内置的稳压器产生。图3所示为在POE掌握器端运行I2C总线接口所须要的电流，以及POE掌握器为支持每种技能所花费的功耗。光耦合器办理方案会在芯片中产生半瓦特的热量，该芯片很可能已经靠近其热极限。在表中，从上往下，每个接口均略好于前一个，末了我们看到超低功耗的ADuM1441，其功耗约为1mW。如此一来，该接口的热负载在这种芯片中显得微不足道。纵然电源未在POE芯片内部调节，该功耗也非常低，可以利用一个大略的齐纳二极管和电阻，从而使节能元件的本钱和冷却负载达到合理水平。该技能简化了电源架构。
表3.各种隔离技能在POE运用中的总功耗
电池供电设备
图5.电池供电医疗传感器
超低功耗的第三个运用示例是为持续韶光较长的电池供电运用供应支持。面向家庭康健监护的医疗东西(如血糖仪、脉搏血氧仪)必须采取分外构造，以在打仗病人的同时，还能连接非医疗极打算机。必须为串行接口供电，并在连接打算机时，能唤醒设备，因此，待机电路中应采取有源隔离器。在这种情形下，利用ADuM1441的刷新禁用功能可以使器件的电池能耗降至4μA以下。这一功耗水平非常低，纵然一枚纽扣电池，也可以使待机电流坚持数年韶光。
ADuM1441的超低功耗同时支持为隔离模块面向打算机的一端方便供电。只须要几μA电流即可实现接口操作，因此，可以将串行接口中的一条状态线专门用于为隔离器供电，这样就不须要利用专门的电源了。
表4展示的是光耦合器的部分属性，以及事情于待机模式下的各种数字隔离。请把稳，如果选择了精确的空闲状态，则PIN/晶体管隔离器的待机电流实际上可能像基于超低功耗iCoupler的产品一样低。人们利用光耦合器的这种特性来在许多运用中实现低功耗待机。然而，一旦开始通信，功耗就会上升至较高水平，ADuM1441办理方案就不会这样。
表4.隔离器的总低速和空闲功耗
结论
ADI已经为脉冲编码型iCoupler数字隔离器开拓出一款新版本，该版本针对极低功耗而进行了优化。对该器件做出的改动并未影响器件的隔离功能，由于所用绝缘技能与高分辨率增强绝缘器件中完备相同。旗子暗记完全性类似于市场上过去13年以来涌现的标准iCoupler。根据设计，这些器件在直流至1Mbps范围内可以支持超低功耗事情，数据速率越低，功耗越低。这种技能因事情功耗要低得多，因此，可以实现以前不可能实现的接口隔离性能。
