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長久以來，隔離一直被設計師視為一個必不可少的負擔。說它必不可少是因為，它可以使電子元件變得安全，以便任何人都能使用。說它是個負擔是因為，它會限制通信速度，消耗大量電能，并占用較大的電路板空間。基于老技術的光耦合器，甚至許多較新的數字隔離器，其功耗非常高，致使某些類型的應用失去了可行性。在本文中，我們將考察超低功耗隔離領域的最新發展，其與現有技術的關系，以及其實現方式。同時，我們還將探討可以從這類新器件受益的多種應用。
對設計師來說，大約45年前出現的現代光耦合器是一個巨大的進步。它們允許在電源控制電路中實現反饋，在通信電路中實現信號隔離以中斷接地環路，以及對高端功率晶體管或電流監控器進行通信。
20世紀70年代，光電器件大量涌現。這些器件影響了RS-232、RS-485等通信標準，以及4至20mA電路環路和DeviceNet及PROFIBUS等工業總線的發展。受隔離器件本身限制的影響，光隔離的功能決定了這些通信總線的諸多特性。在接下來的20年中，隔離技術的發展變化基本上屬于量變，而到了2000年，市場上出現了首批新型芯片級數字隔離器。這些新器件以感性耦合技術為基礎，采用芯片級變壓器、GMR材料以及后來的差分容性耦合技術。與較老的光耦合器相比，這些新技術可以實現超高的速率和超低的功耗水平，然而，受當時實施的標準限制，新器件的許多功能(如高速率)并未得到充分利用，因為現行標準接口并不需要這些功能。
在數字隔離器采用標準封裝和IC工藝制造其編碼和解碼電子元件之后，數字化功能的添加變得十分簡便。低功耗、對低電源電壓的支持以及高集成度成為非光學隔離器的主要設計優勢。能大幅提高隔離速率并且大幅降低隔離功耗的新技術可以支持要求最為苛刻的新接口標準。目前，數字隔離器的功耗(遠遠低于光耦合器)需要低兩至三個數量級才能進入新的應用空間。到目前為止，高性能隔離還不能實現這一目標。
各種技術的比較
隔離器件性能的快速發展是數據編碼方案與數據傳輸所用介質的效率共同作用的結果。在本文中，我們將集中討論決定功耗的各個方面。編碼和解碼方案可以大致分為基于邊沿編碼脈沖的系統和電平編碼系統。簡單而言，基于電平的系統必須持續地將能量推過隔離柵，以保持一個主動輸出狀態，同時，通過不越過隔離柵發送能量來表示被動輸出狀態。
在光耦合器中，光會對能量傳輸進行調解，與直接建立電場或磁場相比，其效率較低，并且在接收元件端，其檢測效率較差。因此，簡單的晶體管或基于PIN二極管的光耦合器需要消耗大量電能來產生光，以使輸入保持開啟狀態，但接收器只需消耗很少的電能即可接收信號。這一點可以在表1中看出，其中列出了PIN二極管接收器光耦合器的功耗。平均而言，這類光耦合器具有高輸入電流和低輸出電流的特點。較高速率的數字光耦合器通過在接收器中增加有源放大模塊的方式，減少了維持某種狀態所需要的光量。這就降低了LED所需要的平均電流，但接收器具有相對較大的靜態電流，因此，其功耗并未真正降低——只是推到了接收器端。降低所需功耗需要提高LED和接收器元件的效率，或者更改編碼方案。這就是光耦合器技術在如此長的時間中，只取得了量變發展的原因所在。
在許多容性耦合數字隔離器中，系統實際上與光耦合器相似。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。該振蕩器，非常像光耦合器中的LED，需要消耗電能以發送主動狀態，并關閉以發送被動狀態。接收器配有有源放大器，在兩種狀態下都要消耗偏置電流。如表1所示，由于電容的耦合效率較高，總功耗要顯著好于光耦合器選項。需要注意的是，如果采用感性耦合而非容性耦合技術，數字隔離器的功率水平大致與之相當。在這種情況下，決定最低功率水平的主要是編碼方案，在低數據速率下尤其如此。
ADI出品的iCoupler型數字隔離器(如ADuM140x系列)采用了另一種編碼方案，如圖1所示。在該方案中，邊沿在輸入端檢測并編碼成脈沖。在ADuM140x中，一個脈沖代表一個下降沿，兩個脈沖表示一個上升沿。這些脈沖通過小型片內脈沖變壓器耦合至次級繞組。接收器對脈沖計數，并重構數據流。脈沖本身具有出色的魯棒性，可以獲得優秀的信噪比，但其寬度只有1ns，因此，每個脈沖的能量是很低的。結果產生非常好的屬性，即當沒有數據發生變化時，輸出端的狀態會被鎖存保持，幾乎不消耗電能。這意味著，功耗就是脈沖流中傳輸的集成電能加上一定的偏置電流。隨著數據速率的下降，功耗呈線性下降，直到直流為止。同樣，導致功耗減少的是編碼方案而不是特定數據傳輸介質，該方案可以在容性，甚至光學系統中實現。
圖1.基于脈沖的編碼方案
脈沖編碼方案并非低功耗的靈丹妙藥。其缺點是，如果輸入端無邏輯變化，則不會將數據發到輸出端。這意味著，如果存在因啟動序列導致的直流電平差，則輸入端和輸出端將不匹配。ADuM140x解決了這個問題，其方法是在輸入通道上實現一個刷新看門狗計時器，如果在超過1μs的時間內未檢測到活動，則會重新發送直流狀態。這種設計的結果是，當數據速率低于1Mbps時，該編碼方案不再繼續減少功耗。器件基本上始終運行在至少1Mbps的速率下，因此，在低數據速率下，功耗不會繼續下降。即便如此，與表1所示電平敏感型方案相比，脈沖編碼方案的平均功耗較低。
表1.隔離器每通道功耗比較(VDD=3.3V，100kbps)
