磁耦隔离器分解.doc

磁耦隔离器一 磁耦简介磁耦：基于磁隔离技术的隔离器件，也称为磁隔离器磁耦合隔离是指利用电磁感应原理，把需要传输的变化信号加在变压器的初级线圈，该信号在初级线圈中产生变化的磁场，变化的磁场使次级线圈的磁通量发生变化，从而在次级感应出与初级线圈鼓励信号相关的变化信号输出，在整个信号的传输过程中，初级与次级之间没有发生电连接，从而到达隔离初次级的目的磁耦隔离器根据对信号编解码的不同，主要有脉冲调制变压器隔离器(ADI公司)和巨磁电阻隔离器〔NVE公司和安华高公司〕脉冲调制变压器隔离器ADI公司的iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器，是采用脉冲调制方式实现的数字隔离器件磁隔离变压器采用平面结构，在晶圆钝化层上使用CMOS金属和金构成金层下有一个高击穿的聚酰亚胺层，将顶部的变压器线圈与底部的线圈隔离开来连接顶部线圈和底部线圈的CMOS电路为每个变压器与其外部信号之间提供接口晶片级信号处理提供了一种在单颗芯片中集成多个隔离通道以与其它半导体功能的低本钱的方法磁隔离技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以与随时间漂移和随温度漂移问题；功耗降低了90%；并且无需外部驱动器或分立器件。

图1脉冲调制变压器隔离器剖面图磁隔离的每个线圈的直径大约是500um，匝数15顶部线圈粗4um，采用金材料制成；底部线圈粗1～2um，采用铝或金材料制成磁耦隔离器是空心变压器，没有磁芯为了实现严密互耦，将两个15匝、直径500um的线圈直接堆叠，空隙仅为20um这使得耦合系数大于0.8工作原理iCoupler数字隔离器使用传送到给定变压器初级端的脉冲对输入逻辑跳变进展编码这些脉冲从变压器初级线圈耦合到次级线圈，并且由次级端电路检测然后，该电路在输出端重新恢复成输入数字信号此外，输入端还包含一个刷新电路，保证即使在没有输入跳变的情况下输出状态也与输入状态保持匹配 图2 脉冲调制变压器隔离器原理图数字信号的传送通过发送大约1ns宽的短脉冲到变压器另一端来实现，两个连续的短脉冲表示一个上升沿，单个短脉冲表示下降沿信号传送框图如下列图所示次级端有一个不可重复触发的单稳态电路产生检测脉冲如果检测到两个脉冲，输出就被置为高电平相反的，如果检测到单个脉冲，输出就置为低电平采用一个输入滤波器有助于提高噪声抗扰能力如果1ms左右没有检测到信号边缘，发送刷新脉冲信号给变压器来保证直流的正确性(直流校正功能)。

如果输入为高电平，就产生两个连续的短脉冲作为刷新脉冲，如果输入为低电平，就产生单个短脉冲刷新这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入很重要为了补充驱动器端的刷新电路，在接收器端采用了一个监视定时器来保证在没有检测到刷新脉冲时，输出处于一种故障平安状态 图3 脉冲调制变压器隔离器工作流程图对于磁耦来说，每个通道都包含一个输入缓冲器，一个编码器〔置刷新发生器〕，一个隔离变压器，一个解码器〔置看门定时狗〕和一个输出缓冲器下列图即为ADUM1100的部结构示意图 图4 ADUM1100的部结构示意图技术特点1 技术核心是发射与接收信号的平面变压器：这些变压器完全由标准半导体制造工艺进展集成，磁耦由被聚酰亚胺层分开的两个线圈组成，聚酰亚胺层起到隔离阻障的作用由于磁耦隔离器的目的是将输入和输出信号隔离开来，所以变压器初级端电路与变压器次级端电路必须在隔离的芯片上变压器本身可以放置在任意芯片上，也可以放在第三个芯片上图5 封装图由于采用金材料制作底部线圈与顶部线圈，并通过增加线圈绕线的直径降低阻抗，因此可以优化变压器，使得能跨越隔离阻碍传输能量。

这样做不会影响信号隔离度2 能够将发送和接收通道集成在同一个封装中：由于磁隔离变压器本身是双向的，所以只要将适宜的电路放置在变压器的任意一边，信号就可以按照任意方向通过按照这种工作方式，可采用多种收发通道配置来提供多通道隔离器2 可用作为隔离DC/DC转换器的变压器：允许将数据隔离和电源隔离两种功能都集成在一个封装4 抗外部磁场干扰能力极强：电磁耦合的主要缺点是对外部磁场(噪声)的磁化和受外部磁场干扰，磁耦受外部磁场的影响较小，因为磁耦的尺寸极小，其直径大约只有0.3mm将一个频率为1MHZ的电流置于距离磁耦5mm远处，要想破坏磁耦的性能，其电流必须到达500A这是一个频率较高强度较大的磁场尽管采用磁耦的系统中包含了发电机、电动机和其它涉与到强磁场的设备，但是目前还没有任何一个应用会到达甚至接近这么高的磁场5 绝缘材料使用聚酰亚胺磁隔离器件使用的聚酰亚胺涂层厚度为20um，介电击穿强度超过400V/um，这使得iCoupler隔离器能够在超过8kV的瞬间交流电压条件下使用由于淀积的聚酰亚胺薄膜没有空隙且不会受到电晕放电的影响，因此iCoupler隔离期还表现出良好的抗老化行为，可以在连续的交流电压与直流电压下工作。

另外，聚酰亚胺有卓越的击穿强度、热稳定性〔失重温度超过500°C，玻璃化转变温度大约是260°C〕与机械稳定性〔拉伸强度超过120MPa，弹性延伸率超过30%，且不易变形〕、耐化学性〔推动了聚酰亚胺层顶部集成电路处理，例如利用Au涂层生成iCoupler变压器线圈〕、出众的静电放电〔ESD〕性能与相对介电常数〔能够应对超过15kV的EOS与ESD事件〕等聚酰亚胺层的介电常数是3.3，与小直径Au变压器线圈配合良好，使隔离层之间的电容最小大多数隔离器输入与输出之间的电容小于2.5 pF优点1 磁耦隔离器具有非常高的带宽：顶部与底部线圈的自激频率分别是1 GHz与400 MHz，线圈之间的电容小于0.3 pF高带宽与小电容使磁隔离技术能够提供极高速的数字隔离2 磁耦隔离线圈具有低电感、高阻抗：每个线圈的电感大约是110 nH，顶部金线圈阻抗是25Ω，底部铝线圈阻抗是50Ω这样的L/R比值使得低频信号无法直接通过3 能传输直流和高频信号：磁隔离技术采用创新的编码电路通过变压器传输仅1～2 ns宽的脉冲，而不管输入信号的频率解码电路由这些1～2 ns宽的脉冲重新恢复出输出信号这种编码/解码方法允许iCoupler磁隔离产品传输直流和高频信号。

4 磁隔离可以在低本钱条件下实现多通道与其他功能集成iCoupler与光耦的比拟iCoupler磁耦隔离系列产品的功耗仅为传统光耦的1/10---1/60左右，速度最高可达150M可集成多个通道，且通道方向分布灵活iCoupler数字隔离器系列产品的最高隔离电压是5KV，最高绝缘电压是600V，最低瞬态共模抑制能力是25KV/µs，兼容 TTL/CMOS，供电电压2.7V~5.5V，最大驱动电流为0.1A以下即为iCoupler与光耦的比拟：1 性能：速度更高、瞬态共模抑制能力更强〔25kv/μs〕时序精度，瞬态共模抑制力，通道间匹配程度均优于传统光电隔离器；瞬态抗扰度可高达25kV/us其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的两倍，并且数据传输速率和时序精度是其10倍2 总本钱：集成度更高iCoupler磁耦产品用薄片加工技术制造的，因此，多隔离通道能够有效地与其他半导体功能结合起来集成度更高，最多一个芯片上集成了4个通道，能够减少40％～60％的尺寸和本钱采用了低本钱、小体积的SOIC封装每通道本钱为传统高速光电隔离器的40％3 功耗：最少只有0.8mA因为iCoupler磁耦产品不包含效率低的发光二极管和光敏三极管，它的功率只有光耦的2％。

也因此减少了散热，改善了性能，并且常常因此节省了本钱4 简单易用：不用任何分立元件支援所有的iCoupler磁耦产品都有标准的CMOS数字输入输出接口，没有外部组成局部需要通过其它数字设备连接到磁耦此外，iCoupler磁耦产品的性能在温度，电压和整个寿命中是极稳定的磁耦因此能够被快速地被应用到任何设计中而不需要复杂联合的光耦分类目前各大厂商的数字隔离器里面，ADI的数字隔离器种类最多、型号最全、功耗最低、IO驱动能力最强〔-35mA---+35mA〕不仅可提供5000V隔离度的隔离器，还可提供RS232、RS485、USB等隔离芯片，而且是唯一可集成DC-DC隔离电源隔离芯片以下是ADI磁隔离芯片的选型表与几种主要类型的芯片介绍：1 通用型多通道数字磁隔离器灵活的通道配置，用来替代之前的光耦产品；典型型号：ADUM1201、ADUM1411图6 ADUM1201部框图ADUM1201正常工作时，两端的供电源需要同时上电才能保证ADUM1201两通道都能正常工作，如果有一个没有上电就能导致整个芯片无常工作 图7 ADUM1201的应用图2 隔离型RS-485收发器高集成度与稳定性，改变传统的分立隔离方案；典型型号：ADM2483、ADM2587EADM2483功能上相当于集成了三个单通道的光耦和一个RS485收发器，速率是500Kbps，封装是SOW—16。

图8 ADM2483部框图体积小：原来需要用三个6N137和一个MAX485、还有一个DC-DC隔离电源模块来做RS485通讯的接口隔离，现在只需用一个ADM2483和一个DC-DC隔离电源模块就可以了，因为磁隔离技术属于电压型，所以无需外接限流电阻，而且前端支持3.3V/5V供电，大大简化了电路和提高了性能独特的电源监控功能：ADM2483有一个电源监控脚PV，这个引脚的功能是供电电源监测，当供电电源低于2.0V时，此引脚置低，ADM2483不工作，当供电电源高于2.0V时，此引脚那么会自动置高，ADM2483工作，一般在实际应用中，将其置高或悬空〔注：置高时最好接一10K左右上拉电阻，以防电流过大将PV脚烧坏〕图8 ADM2483的应用图A、B总线端：ADM2483部集成的RS485收发器，具有热关断与输入失效保护功能但ADM2483并不具有ESD保护功能〔最多人体模式可到4000V〕，所以，总线端需加保护电路3 隔离型RS-232收发器完全的数据隔离，以单芯片实现RS-232接口隔离；典型型号：ADM3251EADM3251E是一款高速、2.5 kV完全隔离、单通道RS-232/V.28收发器，采用5 V单电源供电，数据速率高达460 kbps。

这款器件非常适于工作在苛刻的电气环境，或频繁插拔RS-232电缆的环境中ADM3251E集成了双通道数字隔离器以与isoPower集成隔离电源由于置ADI公司iCoupler技术的芯片级DC-DC转换器，因此无需外局部立的隔离DC-DC转换器图9 ADM3251E部框图ADM3251E的典型应用电路图如下，图中的插针1、2可直接连接MCU的UART，C1、C2是ADM3251E的两个去耦电容，VISO 可实现5V的稳定输出，前端的VCC兼容3V/5V工作电压〔3V工作时，部DC/DC不工作，需双端供电〕ADM3251E的高集成度使得原来复杂的多分立器件RS232系统，真正的可以单个芯片实现，不仅节约了PCB面积，而且降低了研发本钱，可以说是工业RS232接口的首选 图10 ADM3251E的应用4 集成DC/DC的数字磁隔离器集成电源隔离，使隔离电路设计更简化；典型型号：ADUM5401、ADUM54。