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始于世纪初的创新,数字隔离技术在边缘端建立智能时代的物理安全屏障

2024-01-15 ADI 阅读:
在各种强制的电子产品安全设计规范要求下,生活中大众已经很难听到有触电的事件发生。事实上,这背后得益于严格的电子产品安全设计规范要求。

“糟糕,有一种触电的感觉!”OZqednc

生活中,人们常常将一见钟情的心动戏称为“触电”。然而,现实社会中除了北方冬天常遇到的静电电击外,大概真正有过触电的意外体验的人应该是极少的,而且那感觉绝不会“美妙”。庆幸的是,在各种强制的电子产品安全设计规范要求下,生活中大众已经很难听到有触电的事件发生。事实上,这背后得益于严格的电子产品安全设计规范要求,特别是近年来像高压电池支撑的新能源汽车,无处不在的充电设施,机器人充斥的工业环境,以及对生命安全保护要求很高的医疗设备,基于隔离技术下的安全防护要求越来越高。OZqednc

另一方面,随着数据隐私、响应时延、功耗、成本等原因,边缘计算设备应用越来越多。边缘感知、边缘执行和边缘处理之间需要有各种各样的通信,对保护系统和人身安全的隔离需求也随之增加。高速数据通信支撑下的智能边缘设备基于良好隔离技术的安全防护之外,数据可靠性也为一种隔离设计的另外一个“刚需”。而智能边缘端设备的隔离保护设计,也是全球磁隔离技术的发明者、高性能半导体技术提供商ADI聚焦的重点领域,在其激活边缘智能的愿景下,数字隔离技术也成为了ADI赋能边缘智能的重要底座。OZqednc

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ADI数字隔离技术为各种智能边缘应用带来值得信赖的安全保护OZqednc

始于安全“刚需”不止于安全,解读边缘智能设备隔离需求的几个维度OZqednc

据 Fortune Business Insights预测,边缘智能市场预计将从2022年的156亿美元,增长到2029年的1074.7亿美元,复合年增长率高达31.7%。以工业制造业为例,工业现代化正逐步向智能制造加速转变,并引发机器人为代表的边缘智能设备的普及。在现代化的工厂制造环境中,很少的操作人员与各种智能机器人密切协作的场景已经成为常态,与这些依赖带高压电工作的“伙伴”一起“亲密”接触,避免电击危害的安全设计尤为重要,隔离是这些设备技术方案中不可忽略的设计要素。OZqednc

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数字隔离技术在高压与人员、资产和数字之间形成安全边界,并保护数据免受破坏性的电磁干扰影响。OZqednc

另一方面,边缘智能的发展也促成了健康医疗设备的快速普及。阿里健康研究院、天猫健康发布的《诊疗家庭化消费趋势洞察》数据显示,有三分之二的健康电商用户购买过家用医疗器械。那些使用市电、与人类紧密接触的家用医疗电子设备,安全是重中之重,高压市电与用户接触面之间的绝对安全隔离是产品认证的强制要求之一。而更广泛的其他许多领域中,无论是新能源汽车、高压充电桩、储能抑或传统家用电器,强电隔离安全防护都是各种行业产品认证规范的必须要求,包括TUV、3C、CE、UL等等。OZqednc

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作为保护智能边缘的必要技术之一,ADI iCoupler数字隔离产品系列已通过各种监管机构检测和认证,包括ULCSAVDETÜVCQCATEXIECEx等。OZqednc

当前电子产品的生命安全保障已经不仅局限于免除电击导致的事故,还需要兼顾更多层面的安全,例如电磁辐射。事实上,电磁辐射不仅对人身健康造成潜在损害,还可能导致更多其他的问题。例如,对于边缘智能设备采用必要的隔离措施并不局限于对用户的安全防护,还有对智能设备可靠性的关键保障,需要完全满足各种电磁兼容(EMC)标准。由于边缘节点通常发挥检测、测量、解读和连接数据的作用,电磁辐射可能对数据的准确、产品可靠性产生重要影响。OZqednc

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ADI iCoupler系列器件EMC /可靠性性能图示。OZqednc

边缘智能的快速增长,也带动信号和数据的传输在越来越多的系统中发挥关键作用,这些终端设备不仅需要稳定的基础设施,还需要安全、快速、高精度、无干扰、高带宽的传输路径。传输路径可能需要承受极端恶劣的环境条件,为高速链路接口添加隔离可以改善在这些恶劣环境下工作的性能,但这一直以来都不是一项简单的工作。数据速率高于250 Mbps 时,就已超过光耦合器在内的大部分隔离器的带宽范围,迫使系统设计人员采用更为复杂的技术。OZqednc

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ADI iCoupler技术支持最高2.5Gbps的串行数据和协议隔离OZqednc

此外,边缘智能设备应用领域很多对成本、尺寸和功耗等规格敏感,这些不得已的性能权衡折中通常不免令人遗憾。多年来,设计工程师使用光耦合器或电容隔离器,勉强应对这些缺点。在大量的关键型边缘智能应用中,任何对安全性、可靠性、准确性的折衷都是不可以接受的,ADI数字隔离器iCoupler的独特性能优势可以避免这些不利的性能折衷,利用数字隔离器实现尺寸更小、能效更高,以及更具性价比的设计。OZqednc

从三大关键应用领域解读边缘智能趋势下的隔离新需求OZqednc

人身安全永远是任何系统可靠性设计的第一要求,而那些任务关键型系统还对可靠性也有高要求。例如工厂停机监控系统,要求质量数据测量具有鲁棒的完整性,代价巨大的数据错误最终会导致计划外的维护,大大降低效率,甚至不得不禁用整个系统。智能始于边缘节点,而此处也适用那句老话:如果输入的是垃圾,那么输出的也一定是垃圾。隔离器主要作用除了安全,隔离噪声以确保数据传输准确也是关键需求之一。OZqednc

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摄像机机器视觉和机器人涉及到以太网、USBCamera Link接口OZqednc

边缘智能在工业领域广泛应用到各种机器人设备中,其中基于机器视觉的引导机器人就在高价值制造环境中提供更高的灵活性和更高的生产可靠性上具有重要作用。有了机器视觉,机器人可以执行更加智能的任务。有多种方式可以实现机器视觉摄像机接口,包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link,或千兆以太网。除了工业以太网,包括工业控制器普遍采用的USB端口,普遍需要采用措施以提高EMC,例如LVDS物理层通过电磁隔离来改善EMC。此外,在这些智能设备上,人机接口(HMI)常用于通过人类可读视觉表示方式显示来自可编程逻辑控制器的数据,也需要采用集成增强隔离可保护操作人员免除电气危险。OZqednc

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储能系统的典型太阳能系统框图OZqednc

太阳能系统中会大量使用到隔离器,如果打开典型的太阳能系统的逆变器控制器外壳,可以在多处发现数字隔离产品的身影,其中包括栅极驱动信号的隔离,以及电压控制环路中数字反馈的隔离等。此外,各种监控、监测以及通信功能的应用,正在将太阳能和储能系统变成某种意义上的智能边缘终端。由于太阳能逆变器中功率密度的不断增加以及对储能平衡的需求,这一代太阳能发电要求对太阳能系统的所有元件进行大量监控。对于储能等太阳能应用,通信至关重要,因为它要将太阳能装置中的发电和消耗活动报告给用户,以实施多种系统策略,例如账单管理、光伏自用、减少需量电费和备用电源。对于这些太阳能光伏应用,RS-485或CAN通信接口通常在充斥电噪声的环境中通过长电缆运行。增加iCoupler隔离可以进一步提升抗扰度,增强的EMC鲁棒性可缩短接口电路的设计和测试时间,从而加快太阳能光伏网络的上市时间。OZqednc

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在医疗设备中隔离具有广泛的应用OZqednc

边缘智能在医疗设备中的扩展使用,让更多的医疗设备走出医院进入普通百姓家,而安全始终是这类家用医疗设备的基本设计出发点。例如对于ECG设备就是如此,设计师必须严防来自交流电源的电涌或过压,以及经过ECG电极的任何可能超过10μA rms推荐限值的电流路径影响到病人或操作人。此外,在ECG子系统本身或其他与病人或操作人员相连的医疗设备发生故障时,可能出现危险电压或电流,ECG设计的必要条件就是确保病人和操作人员安全不会受此类电压或电流伤害。基于ADI iCouper数字隔离器使开发可靠、紧凑且易于设计的患者监测设备成为可能,通过使用集成了iCoupler的USB隔离器可以增强心电图设备的USB连接性。ADI iCoupler在包括超声和内窥镜系统在内的医疗成像应用中结合了患者安全性和视频准确性。而iCoupler 固有的高速隔离功能(千兆隔离)简化了超高分辨率嵌入式安全医疗成像系统的构建(这些系统现在必须越来越多地支持最新的>4K显示器,这有助于更快做出诊断并提高诊断准确性)。OZqednc

性能三连升再增新技能,论隔离“优等生”的二十年自我修炼OZqednc

隔离技术不可或缺的重要性吸引了全球很多半导体公司加大投资研发,当前的路线几乎集中在传统的光耦以及电容式隔离和电磁隔离三个大类。无论是速度、功耗,还是集成度,后两种已经显著胜出了传统光耦隔离,而且光耦性能随着时间而下降的缺点“深入人心”,磁隔离技术在耐压、抗浪涌以及共模瞬变抗扰度(CMTI)方面,又比电容隔离更胜一筹。随着汽车、医疗、工业自动化等行业与边缘计算的融合,对可靠性和安全性的要求不断提高,基于磁隔离的技术获得越来越多的应用青睐,ADI iCoupler推出20多年以来已经获得超过50亿通道的应用。OZqednc

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持续的创新使ADI保持为数字隔离器技术的领先者,ADI iCoupler获得50亿通道应用。OZqednc

迄今ADI iCoupler技术已经实现三代产品迭代,数字隔离技术的产品功能与性能也不断升级:从单通道到多通道数据隔离器到集成信号/数据和电源隔离、ADC等,从支持千兆数据隔离到支持2.5Gbps甚至更高的数据速度,功能与性能都在持续不断的提升。这背后有例如第二代iCoupler技术采用OOK技术替代脉冲编解码从而实现低传播延迟,高可靠性以及高速率等优势,第三代磁隔离的传输速率进一步提高,而与转换器、放大器、电源等产品集成实现了更紧凑的方案,这些都为需要小尺寸高集成度、更高传输速率的边缘智能应用提供了重要的技术支撑。OZqednc

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丰富的技术与产品组合提供满足更多细分市场需求的隔离解决方案。OZqednc

值得一提的是,对领先半导体企业美信的成功并购使得ADI可以进一步提供更丰富的产品组合,iCoupler数字隔离安全可靠性更高,电容隔离技术可以满足高达10Mbps速率下的超低功耗特性,以及满足对时钟抖动更高的要求。而整合后的隔离技术研发团队正在实现1+1>2的协同效应,在最新推出的数字隔离器MAX2242x/MAX2282x / MAX2244x系列中,已经实现了兼顾可靠稳定性下业界领先的高速微功耗隔离解决方案,与ADI上一代产品 ADuM144x/ADuM124x相比实现了全面的性能升级迭代。OZqednc

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ADI最新数字隔离器将微功耗/超低功耗隔离器的本质安全扩展到10MbpsOZqednc

ADI的iCoupler数字隔离技术诞生于世纪初期,iCoupler一路跟随应用创新而不断升级迭代,而今的边缘智能设备比以往任何时候都更需要更高级别的安全性和数据完整性,高性能和敏感型电子系统也越来越多,每次设计时都必须考虑数字隔离的应用,未来隔离依然会朝向更高耐压、更快传输速度以及更高集成度发展。ADI继续将iCoupler 技术嵌入高度集成的解决方案中,这些解决方案可组合并简化高度复杂的边缘智能应用的信号链。OZqednc

责编:Franklin
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