【導(dǎo)讀】生活中，人們常常將一見鐘情的心動(dòng)戲稱為“觸電”。然而，現(xiàn)實(shí)社會(huì)中除了北方冬天常遇到的靜電電擊外，大概真正有過觸電的意外體驗(yàn)的人應(yīng)該是極少的，而且那感覺絕不會(huì)“美妙”。慶幸的是，在各種強(qiáng)制的電子產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)規(guī)范要求下，生活中大眾已經(jīng)很難聽到有觸電的事件發(fā)生。事實(shí)上，這背后得益于嚴(yán)格的電子產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)規(guī)范要求，特別是近年來像高壓電池支撐的新能源汽車，無處不在的充電設(shè)施，機(jī)器人充斥的工業(yè)環(huán)境，以及對生命安全保護(hù)要求很高的醫(yī)療設(shè)備，基于隔離技術(shù)下的安全防護(hù)要求越來越高。
“糟糕，有一種觸電的感覺！”
生活中，人們常常將一見鐘情的心動(dòng)戲稱為“觸電”。然而，現(xiàn)實(shí)社會(huì)中除了北方冬天常遇到的靜電電擊外，大概真正有過觸電的意外體驗(yàn)的人應(yīng)該是極少的，而且那感覺絕不會(huì)“美妙”。慶幸的是，在各種強(qiáng)制的電子產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)規(guī)范要求下，生活中大眾已經(jīng)很難聽到有觸電的事件發(fā)生。事實(shí)上，這背后得益于嚴(yán)格的電子產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)規(guī)范要求，特別是近年來像高壓電池支撐的新能源汽車，無處不在的充電設(shè)施，機(jī)器人充斥的工業(yè)環(huán)境，以及對生命安全保護(hù)要求很高的醫(yī)療設(shè)備，基于隔離技術(shù)下的安全防護(hù)要求越來越高。
另一方面，隨著數(shù)據(jù)隱私、響應(yīng)時(shí)延、功耗、成本等原因，邊緣計(jì)算設(shè)備應(yīng)用越來越多。邊緣感知、邊緣執(zhí)行和邊緣處理之間需要有各種各樣的通信，對保護(hù)系統(tǒng)和人身安全的隔離需求也隨之增加。高速數(shù)據(jù)通信支撐下的智能邊緣設(shè)備基于良好隔離技術(shù)的安全防護(hù)之外，數(shù)據(jù)可靠性也為一種隔離設(shè)計(jì)的另外一個(gè)“剛需”。而智能邊緣端設(shè)備的隔離保護(hù)設(shè)計(jì)，也是全球磁隔離技術(shù)的發(fā)明者、高性能半導(dǎo)體技術(shù)提供商ADI聚焦的重點(diǎn)領(lǐng)域，在其激活邊緣智能的愿景下，數(shù)字隔離技術(shù)也成為了ADI賦能邊緣智能的重要底座。
ADI數(shù)字隔離技術(shù)為各種智能邊緣應(yīng)用帶來值得信賴的安全保護(hù)
始于安全“剛需”不止于安全，解讀邊緣智能設(shè)備隔離需求的幾個(gè)維度
據(jù) Fortune Business Insights預(yù)測，邊緣智能市場預(yù)計(jì)將從2022年的156億美元，增長到2029年的1074.7億美元，復(fù)合年增長率高達(dá)31.7%。以工業(yè)制造業(yè)為例，工業(yè)現(xiàn)代化正逐步向智能制造加速轉(zhuǎn)變，并引發(fā)機(jī)器人為代表的邊緣智能設(shè)備的普及。在現(xiàn)代化的工廠制造環(huán)境中，很少的操作人員與各種智能機(jī)器人密切協(xié)作的場景已經(jīng)成為常態(tài)，與這些依賴帶高壓電工作的“伙伴”一起“親密”接觸，避免電擊危害的安全設(shè)計(jì)尤為重要，隔離是這些設(shè)備技術(shù)方案中不可忽略的設(shè)計(jì)要素。
數(shù)字隔離技術(shù)在高壓與人員、資產(chǎn)和數(shù)字之間形成安全邊界，并保護(hù)數(shù)據(jù)免受破壞性的電磁干擾影響。
另一方面，邊緣智能的發(fā)展也促成了健康醫(yī)療設(shè)備的快速普及。阿里健康研究院、天貓健康發(fā)布的《診療家庭化消費(fèi)趨勢洞察》數(shù)據(jù)顯示，有三分之二的健康電商用戶購買過家用醫(yī)療器械。那些使用市電、與人類緊密接觸的家用醫(yī)療電子設(shè)備，安全是重中之重，高壓市電與用戶接觸面之間的絕對安全隔離是產(chǎn)品認(rèn)證的強(qiáng)制要求之一。而更廣泛的其他許多領(lǐng)域中，無論是新能源汽車、高壓充電樁、儲(chǔ)能抑或傳統(tǒng)家用電器，強(qiáng)電隔離安全防護(hù)都是各種行業(yè)產(chǎn)品認(rèn)證規(guī)范的必須要求，包括TUV、3C、CE、UL等等。
作為保護(hù)智能邊緣的必要技術(shù)之一，ADI iCoupler數(shù)字隔離產(chǎn)品系列已通過各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)檢測和認(rèn)證，包括UL、CSA、VDE、TüV、CQC、ATEX和IECEx等。
當(dāng)前電子產(chǎn)品的生命安全保障已經(jīng)不僅局限于免除電擊導(dǎo)致的事故，還需要兼顧更多層面的安全，例如電磁輻射。事實(shí)上，電磁輻射不僅對人身健康造成潛在損害，還可能導(dǎo)致更多其他的問題。例如，對于邊緣智能設(shè)備采用必要的隔離措施并不局限于對用戶的安全防護(hù)，還有對智能設(shè)備可靠性的關(guān)鍵保障，需要完全滿足各種電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)。由于邊緣節(jié)點(diǎn)通常發(fā)揮檢測、測量、解讀和連接數(shù)據(jù)的作用，電磁輻射可能對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生重要影響。
ADI iCoupler系列器件EMC /可靠性性能圖示。
邊緣智能的快速增長，也帶動(dòng)信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸在越來越多的系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些終端設(shè)備不僅需要穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施，還需要安全、快速、高精度、無干擾、高帶寬的傳輸路徑。傳輸路徑可能需要承受極端惡劣的環(huán)境條件，為高速鏈路接口添加隔離可以改善在這些惡劣環(huán)境下工作的性能，但這一直以來都不是一項(xiàng)簡單的工作。數(shù)據(jù)速率高于250 Mbps 時(shí)，就已超過光耦合器在內(nèi)的大部分隔離器的帶寬范圍，迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員采用更為復(fù)雜的技術(shù)。
ADI iCoupler技術(shù)支持最高2.5Gbps的串行數(shù)據(jù)和協(xié)議隔離
此外，邊緣智能設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域很多對成本、尺寸和功耗等規(guī)格敏感，這些不得已的性能權(quán)衡折中通常不免令人遺憾。多年來，設(shè)計(jì)工程師使用光耦合器或電容隔離器，勉強(qiáng)應(yīng)對這些缺點(diǎn)。在大量的關(guān)鍵型邊緣智能應(yīng)用中，任何對安全性、可靠性、準(zhǔn)確性的折衷都是不可以接受的，ADI數(shù)字隔離器iCoupler的獨(dú)特性能優(yōu)勢可以避免這些不利的性能折衷，利用數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)尺寸更小、能效更高，以及更具性價(jià)比的設(shè)計(jì)。
從三大關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域解讀邊緣智能趨勢下的隔離新需求
人身安全永遠(yuǎn)是任何系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的第一要求，而那些任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)還對可靠性也有高要求。例如工廠停機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，要求質(zhì)量數(shù)據(jù)測量具有魯棒的完整性，代價(jià)巨大的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤最終會(huì)導(dǎo)致計(jì)劃外的維護(hù)，大大降低效率，甚至不得不禁用整個(gè)系統(tǒng)。智能始于邊緣節(jié)點(diǎn)，而此處也適用那句老話：如果輸入的是垃圾，那么輸出的也一定是垃圾。隔離器主要作用除了安全，隔離噪聲以確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確也是關(guān)鍵需求之一。
攝像機(jī)機(jī)器視覺和機(jī)器人涉及到以太網(wǎng)、USB或Camera Link接口
邊緣智能在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用到各種機(jī)器人設(shè)備中，其中基于機(jī)器視覺的引導(dǎo)機(jī)器人就在高價(jià)值制造環(huán)境中提供更高的靈活性和更高的生產(chǎn)可靠性上具有重要作用。有了機(jī)器視覺，機(jī)器人可以執(zhí)行更加智能的任務(wù)。有多種方式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺攝像機(jī)接口，包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link，或千兆以太網(wǎng)。除了工業(yè)以太網(wǎng)，包括工業(yè)控制器普遍采用的USB端口，普遍需要采用措施以提高EMC，例如LVDS物理層通過電磁隔離來改善EMC。此外，在這些智能設(shè)備上，人機(jī)接口(HMI)常用于通過人類可讀視覺表示方式顯示來自可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)，也需要采用集成增強(qiáng)隔離可保護(hù)操作人員免除電氣危險(xiǎn)。
帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型太陽能系統(tǒng)框圖
太陽能系統(tǒng)中會(huì)大量使用到隔離器，如果打開典型的太陽能系統(tǒng)的逆變器控制器外殼，可以在多處發(fā)現(xiàn)數(shù)字隔離產(chǎn)品的身影，其中包括柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，以及電壓控制環(huán)路中數(shù)字反饋的隔離等。此外，各種監(jiān)控、監(jiān)測以及通信功能的應(yīng)用，正在將太陽能和儲(chǔ)能系統(tǒng)變成某種意義上的智能邊緣終端。由于太陽能逆變器中功率密度的不斷增加以及對儲(chǔ)能平衡的需求，這一代太陽能發(fā)電要求對太陽能系統(tǒng)的所有元件進(jìn)行大量監(jiān)控。對于儲(chǔ)能等太陽能應(yīng)用，通信至關(guān)重要，因?yàn)樗獙⑻柲苎b置中的發(fā)電和消耗活動(dòng)報(bào)告給用戶,以實(shí)施多種系統(tǒng)策略，例如賬單管理、光伏自用、減少需量電費(fèi)和備用電源。對于這些太陽能光伏應(yīng)用，RS-485或CAN通信接口通常在充斥電噪聲的環(huán)境中通過長電纜運(yùn)行。增加iCoupler隔離可以進(jìn)一步提升抗擾度，增強(qiáng)的EMC魯棒性可縮短接口電路的設(shè)計(jì)和測試時(shí)間，從而加快太陽能光伏網(wǎng)絡(luò)的上市時(shí)間。
在醫(yī)療設(shè)備中隔離具有廣泛的應(yīng)用
邊緣智能在醫(yī)療設(shè)備中的擴(kuò)展使用，讓更多的醫(yī)療設(shè)備走出醫(yī)院進(jìn)入普通百姓家，而安全始終是這類家用醫(yī)療設(shè)備的基本設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。例如對于ECG設(shè)備就是如此，設(shè)計(jì)師必須嚴(yán)防來自交流電源的電涌或過壓，以及經(jīng)過ECG電極的任何可能超過10μA rms推薦限值的電流路徑影響到病人或操作人。此外，在ECG子系統(tǒng)本身或其他與病人或操作人員相連的醫(yī)療設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可能出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓或電流，ECG設(shè)計(jì)的必要條件就是確保病人和操作人員安全不會(huì)受此類電壓或電流傷害。基于ADI iCouper數(shù)字隔離器使開發(fā)可靠、緊湊且易于設(shè)計(jì)的患者監(jiān)測設(shè)備成為可能，通過使用集成了iCoupler的USB隔離器可以增強(qiáng)心電圖設(shè)備的USB連接性。ADI iCoupler在包括超聲和內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在內(nèi)的醫(yī)療成像應(yīng)用中結(jié)合了患者安全性和視頻準(zhǔn)確性。而iCoupler 固有的高速隔離功能（千兆隔離）簡化了超高分辨率嵌入式安全醫(yī)療成像系統(tǒng)的構(gòu)建（這些系統(tǒng)現(xiàn)在必須越來越多地支持最新的>4K顯示器，這有助于更快做出診斷并提高診斷準(zhǔn)確性）。
性能三連升再增新技能，論隔離“優(yōu)等生”的二十年自我修煉
隔離技術(shù)不可或缺的重要性吸引了全球很多半導(dǎo)體公司加大投資研發(fā)，當(dāng)前的路線幾乎集中在傳統(tǒng)的光耦以及電容式隔離和電磁隔離三個(gè)大類。無論是速度、功耗，還是集成度，后兩種已經(jīng)顯著勝出了傳統(tǒng)光耦隔離，而且光耦性能隨著時(shí)間而下降的缺點(diǎn)“深入人心”，磁隔離技術(shù)在耐壓、抗浪涌以及共模瞬變抗擾度(CMTI)方面，又比電容隔離更勝一籌。隨著汽車、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)與邊緣計(jì)算的融合，對可靠性和安全性的要求不斷提高，基于磁隔離的技術(shù)獲得越來越多的應(yīng)用青睞，ADI iCoupler推出20多年以來已經(jīng)獲得超過50億通道的應(yīng)用。
持續(xù)的創(chuàng)新使ADI保持為數(shù)字隔離器技術(shù)的領(lǐng)先者，ADI iCoupler獲得50億通道應(yīng)用。
迄今ADI iCoupler技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)三代產(chǎn)品迭代，數(shù)字隔離技術(shù)的產(chǎn)品功能與性能也不斷升級(jí)：從單通道到多通道數(shù)據(jù)隔離器到集成信號(hào)/數(shù)據(jù)和電源隔離、ADC等，從支持千兆數(shù)據(jù)隔離到支持2.5Gbps甚至更高的數(shù)據(jù)速度，功能與性能都在持續(xù)不斷的提升。這背后有例如第二代iCoupler技術(shù)采用OOK技術(shù)替代脈沖編解碼從而實(shí)現(xiàn)低傳播延遲，高可靠性以及高速率等優(yōu)勢，第三代磁隔離的傳輸速率進(jìn)一步提高，而與轉(zhuǎn)換器、放大器、電源等產(chǎn)品集成實(shí)現(xiàn)了更緊湊的方案，這些都為需要小尺寸高集成度、更高傳輸速率的邊緣智能應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐。
豐富的技術(shù)與產(chǎn)品組合提供滿足更多細(xì)分市場需求的隔離解決方案。
值得一提的是，對領(lǐng)先半導(dǎo)體企業(yè)美信的成功并購使得ADI可以進(jìn)一步提供更豐富的產(chǎn)品組合，iCoupler數(shù)字隔離安全可靠性更高，電容隔離技術(shù)可以滿足高達(dá)10Mbps速率下的超低功耗特性，以及滿足對時(shí)鐘抖動(dòng)更高的要求。而整合后的隔離技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在實(shí)現(xiàn)1+1>2的協(xié)同效應(yīng)，在最新推出的數(shù)字隔離器MAX2242x/MAX2282x / MAX2244x系列中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兼顧可靠穩(wěn)定性下業(yè)界領(lǐng)先的高速微功耗隔離解決方案，與ADI上一代產(chǎn)品 ADuM144x/ADuM124x相比實(shí)現(xiàn)了全面的性能升級(jí)迭代。
ADI最新數(shù)字隔離器將微功耗/超低功耗隔離器的本質(zhì)安全擴(kuò)展到10Mbps。
ADI的iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)誕生于世紀(jì)初期，iCoupler一路跟隨應(yīng)用創(chuàng)新而不斷升級(jí)迭代，而今的邊緣智能設(shè)備比以往任何時(shí)候都更需要更高級(jí)別的安全性和數(shù)據(jù)完整性，高性能和敏感型電子系統(tǒng)也越來越多，每次設(shè)計(jì)時(shí)都必須考慮數(shù)字隔離的應(yīng)用，未來隔離依然會(huì)朝向更高耐壓、更快傳輸速度以及更高集成度發(fā)展。ADI繼續(xù)將iCoupler 技術(shù)嵌入高度集成的解決方案中，這些解決方案可組合并簡化高度復(fù)雜的邊緣智能應(yīng)用的信號(hào)鏈。
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