數(shù)字隔離器將在多領域取代光耦

光耦是70年代發(fā)展起來的隔離器件，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一，包括晶體管耦合器、高速集成電路輸出耦合器、三端雙向可控硅耦合器以及光控繼電器等，廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大及固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。

光耦的主要優(yōu)點是信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，無觸點，使用壽命長。這種情形下，速度與功耗成為采購關注焦點。不同的應用對光耦的速度要求也有所不同，例如在通信應用中，DeviceNet規(guī)定了相對較低的數(shù)據速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，傳播延遲要求小于40ns；CAN總線規(guī)定了125kBd低速和1MBd高速數(shù)據速率，但對傳播延時沒有嚴格的要求；Profibus發(fā)送數(shù)據則要求在12MBd范圍內，并規(guī)定了隔離器、收發(fā)器和連接本身的PWD總延時。近日安華高推出了兩款車用級高速低功耗數(shù)字CMOS光電耦合器產品ACPL-M71T和ACPL-M72T，都使用較低驅動電流和較低功耗的LED技術進行設計，適合高速15MBd和低速數(shù)字應用。Vishay近期推出的兩款采用標準SOP-5封裝的高速模擬光耦VOM452T/453T除了速度達到1MBd外，傳播延遲更是減小到了1μs，這一點對需要比標準光電晶體管光耦更快開關速度的應用是非常重要的。

在低功耗方面，以安華高的最新產品超低功耗光電耦合器產品ACPL-M61L/061L/064L/W61L/K64L為例，它們比目前標準光電耦合器省電90%。這些光電耦合器可采用獨特的集成電路設計和厚絕緣層材料，在不影響隔離和絕緣性能的條件下大幅度節(jié)省功耗，目標市場包括RS485、CANBus和I2C等通信接口、微處理器系統(tǒng)接口，以及A/D和D/A等模數(shù)轉換應用的數(shù)字隔離。這些光電耦合器集成有高效率發(fā)光二極管LED和高增益光檢測器，帶來允許設計工程師直接將光電耦合器輸入和微控制器輸出連接的1.6mA低順向驅動電流，節(jié)省了使用緩沖器推動LED的需求。

除了對速度和功耗的要求，光耦產品也正在趨向于低電壓特性，由于越來越多的產品逐漸轉向更低的供電電壓，這也要求光耦具有低電壓來滿足系統(tǒng)的需求。此外，隨著系統(tǒng)集成度不斷提高，工作環(huán)境日趨嚴格，光耦產品的體積、工作溫度都受到前所未有的關注。仍以安華高產品為例，ACPL-570xL/573xL/177xL系列密封型光電耦合器，工作溫度范圍從 -55到+125℃，這些新光電耦合器產品可以在低達3.0V的電源電壓工作，不會影響參數(shù)的性能表現(xiàn)。

近些年來，本土廠商在光耦市場的力量也開始顯現(xiàn)，如上海半導體器件八廠、上海無線電十七廠等。重慶光電技術研究所為適應市場需要研制出了一種由高速響應發(fā)光器件和邏輯輸出型光接收放大器組成的厚膜集成雙路高速高增益電耦合器，這種光電耦合器的輸入端由兩只GaAIAs側面發(fā)光管組成，其輸出端由兩只Si-PIN光電探測器以及兩個高速高增益線性放大電路組成。除此之外，重慶光電技術研究所還研制出了高速高壓光電耦合器、GG2150I型射頻信號光電耦合器、GG2060I型高壓脈沖測量光電耦合器、GH1204U型高壓光傳輸光電耦合器以及GH1201Y型和GOHQ-I型光電耦合器等。

在隔離方面，光電隔離可謂是老大哥了，也是最為我們所熟知的一種隔離器件。不過，隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，光耦的速率、LED老化、可靠性、功耗過高等缺點也暴露出來。對此，Silicon Labs隔離器產品總監(jiān)Diwakar Vishakhadatta表示：“傳統(tǒng)光耦合器產品的最大問題是在可靠性和操作性方面存在弱點。隨著老化，它們的性能也隨之下降；并且，當在較高溫度下操作時，實際上老化過程會加劇。系統(tǒng)設計人員開始認識到，通過轉向基于CMOS的數(shù)字隔離器，他們可實現(xiàn)更高的集成、更快的速度、更低的功率和更加強健的設計?！?/P>

順應這種趨勢，Silicon Labs在2010年推出了5kV額定數(shù)字隔離器和隔離門驅動程序。Diwakar Vishakhadatta自豪宣稱，這些數(shù)字隔離器產品在市場上得到非常積極的反響，在消費、工業(yè)、通訊、網絡和廣播視頻應用等領域得到部署廣泛。5kV Si84xx數(shù)字隔離器已開始提供樣品并已量產。采用寬體SOIC-16封裝的5kV Si84xx器件，在一萬顆采購量時，單價為0.86美元起。

“Silicon Labs的數(shù)字隔離器比光耦合器可靠性高10倍，這就降低了整體系統(tǒng)成本并增強了使用這些隔離器解決方案的最終產品的可靠性。另外，Silicon Labs的數(shù)字隔離器具有業(yè)界最快的性能表現(xiàn)，在單個封裝中可提供高達150Mbps的速度和最多6個隔離通道。Silicon Labs的隔離門驅動程序同樣也比光耦合器甚至其他數(shù)字隔離器提供商具有更高的集成和保護水平。在單個封裝設計中可提供2個隔離門驅動器，使它們極為適合電源系統(tǒng)和電機控制應用。” Diwakar Vishakhadatta補充道，Silicon Labs數(shù)字隔離器至今出貨量已超過7,500萬個通道，且RF隔離架構已通過市場考驗，并在許多工業(yè)、能源管理、通信和廣播應用中獲得驗證。

Silicon Labs的CMOS數(shù)字隔離器正是電感式隔離器的代表性產品之一，電感式隔離器另外一種主要的代表性產品是ADI公司脈沖調制iCoupler隔離器。電感式隔離器使用不斷變化的磁場來通過隔離層實現(xiàn)通信，它的優(yōu)勢是可以在不明顯降低差模信號的情況下最小化變壓器的共模噪聲，并且信號能量的轉換效率極高，因而可以實現(xiàn)低功耗隔離器。

ADI公司的iCoupler隔離器是基于芯片尺寸變壓器的磁耦合器，是采用脈沖調制方式實現(xiàn)的數(shù)字隔離器件。iCoupler技術消除了與光耦合器相關的不確定的電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時間漂移和隨溫度漂移問題，功耗降低了90%，并且無需外部驅動器或分立器件。在同樣的信號數(shù)據速率下，iCoupler產品的功耗是光耦的十分之一到六分之一(例如，在3V電源、0Mbps至2Mbps條件下，每通道的最大電流為0.8mA)。iCoupler數(shù)字隔離器采用工業(yè)標準、符合RoHS的小型SOIC(小外形集成電路)封裝。

今年上半年，三菱汽車公司已采用ADI的iCoupler數(shù)字隔離器開發(fā)用于下一代“i-MiEV”全電動汽車的安全可靠和高效的鋰離子電池供電系統(tǒng)。ADI公司汽車部副總裁Thomas Wessel表示：“ADI公司的ADuM1402W和ADuM1201W iCoupler數(shù)字隔離器能夠用來實現(xiàn)跨越高電壓鋰離子電池系統(tǒng)和標準汽車電子系統(tǒng)之間的安全隔離阻障傳送數(shù)據。iCoupler隔離器還能滿足其他要求，例如小尺寸、低功耗和延長電池壽命，從而為汽車提供更長巡航距離和更長使用壽命?！?/P>

目前，已有超過3億個隔離通道采用了ADI公司專有的iCoupler技術。與傳統(tǒng)光電耦合器中使用LED和光電二極管不同，這種技術基于芯片級變壓器，支持更高的數(shù)據速率和更低的功耗，性能更加穩(wěn)定。通過使用晶圓級工藝制造變壓器，iCoupler通道能以較低成本相互集成以及與其它半導體功能集成在一起。

以ADuM640x四通道隔離器系列為例，這些四通道隔離器具備5kV rms醫(yī)用隔離等級(IEC 60601-1認證正在進行中)，以及不同通道配置和數(shù)據速率的四個獨立隔離通道。片上isoPower隔離DC/DC轉換器支持5.0V或3.3V工作，可提供高達500mW的穩(wěn)壓隔離電源。在低功耗隔離設計中這就可省去獨立的隔離DC/DC轉換器。這些新型iCoupler四通道隔離器優(yōu)于諸如帶外部DC/DC轉換器的光耦等分立解決方案，因為新型iCoupler隔離器可同時將成本和電路板空間減少高達50%，并且能縮短上市時間。

iCoupler隔離器目前已大量應用于電力自動化、工業(yè)測量、樓宇控制、煤礦安全、安防消防、智能交通、流量計、運動控制、電機控制、汽車車體通訊、儀器儀表、航天航空等產品及領域；在鐵路、衛(wèi)星接收、醫(yī)療等領域的應用正逐步擴大。

電感隔離的缺點之一是易受外部磁場(噪聲)的干擾。與此相對，電容隔離產品則有很強的抗磁干擾能力，同時還具備很穩(wěn)定的可靠性、耐用性及抗瞬態(tài)電壓能力，適用于工廠自動化、過程控制(PLC)和數(shù)據采集系統(tǒng)等有干擾的高電壓應用場合。電容耦合的缺點是無差分信號，并且噪聲與信號共用同一條傳輸通道，這就要求信號頻率應遠高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率。如同電感耦合一樣，電容耦合也存在帶寬限制，并需要時鐘編碼數(shù)據。

TI隔離器采用片上高電壓電容器，可提高數(shù)據傳輸速度，而功耗低于通用的高性能光耦合器。以SO722x隔離器產品為例，它在不同的溫度和濕度條件下性能穩(wěn)定，使用壽命超過25年。ISO722x系列提供三種速度選項：1Mbps、25Mbps與150Mbps。TI新近推出的低功耗5KVrms雙通道數(shù)字隔離器ISO7520C傳輸延遲小于20ns,工作電壓為3.3V或5V，最高傳輸速度為1Mbps，與隔離電源配合使用，能阻止干擾或損壞敏感電路的噪聲電流。