基于市場視角的光隔離器和數(shù)字隔離器評述

基于市場視角的光隔離器和數(shù)字隔離器評述

作者：Silicon Labs隔離和電源產(chǎn)品資深產(chǎn)品經(jīng)理Ashish Gokhale

現(xiàn)代電子系統(tǒng)在工業(yè)自動化、電信基站電源和電動汽車（EV）車載充電器（OBC）等各種應用設計中面臨一系列獨特的挑戰(zhàn)：

提供高壓下的安全性 — 保護電子控制設備和操作人員安全

在具有相對較高的地電位差的子系統(tǒng)之間進行有效通信

防止電氣噪聲破壞敏感信號

通過在電路設計中引入電流隔離器可以解決這些挑戰(zhàn)。電流隔離器是在絕緣柵上耦合電數(shù)據(jù)或控制信號而沒有任何電流流過的器件，因此能夠在阻擋噪聲的同時傳輸信號。此外，絕緣柵還可以保護設備和操作人員免受高壓影響。

光耦隔離器

最早的隔離器是光耦合器件，也稱為光隔離器或光耦合器，簡稱“光耦”。光耦的第一批專利于20世紀60年代發(fā)布。最早的形式包括初級側的微型白熾燈泡、作為絕緣或介電層的光學透明塑料、以及次級側上由所照射光量度進行調(diào)制的光敏電阻器。后來的開發(fā)引入了更復雜的光耦合器件，使系統(tǒng)設計人員的工作變得容易了一些。它們基本上都是某種發(fā)光結構（微型燈泡被初級側的半導體發(fā)光二極管或LED取代），再加上各種形式的光敏器件，如光電阻器、光電晶體管、光電二極管或三端雙向可控硅開關，使器件適用于各種直流和交流應用。

直到基于CMOS的數(shù)字隔離器在20世紀90年代后期開發(fā)成功之前，光耦基本上是唯一可用的解決方案。數(shù)字隔離器使用電感（磁）或電容耦合來傳輸信號。圖1主要顯示了光耦合器和數(shù)字隔離器之間的技術差異。

圖1光耦合和電容耦合CMOS隔離器的基本操作原理

圖2顯示了光耦合器和數(shù)字隔離器的X射線圖像示例，可幫助直觀地了解這些器件的物理構成。

圖2光耦合器構成（左）和數(shù)字隔離器構成（右）的X射線圖像

光電器件的一個突出特性是老化問題。LED的量子效率（定義為輸入電流的每個電子的總光子數(shù)）在恒定電流下隨時間而減小。這主要是由于PN結的電應力和熱應力。這對于光耦合器的長期穩(wěn)定性和操作有影響，特別是在高溫操作條件下。設計人員可以通過幾個補救措施來減緩老化的影響：

降低實際使用壽命

降低工作二極管電流和環(huán)境溫度

避免峰值瞬態(tài)電流

當然，這些操作限制了使用場景，這是因為隔離器本質(zhì)上在存在這些條件的系統(tǒng)中最為有用。數(shù)字隔離器沒有這些物理限制。由于光耦基本上通過切換PN結二極管起作用，它們的開關速率相對較慢。因此，光耦只能運行在較低的數(shù)據(jù)速率下，并且有較大的傳播延遲和偏移。

行業(yè)趨勢和CMOS數(shù)字隔離器

在日益增長的帶寬和耗電量的現(xiàn)實世界中，新的基于CMOS的數(shù)字隔離器提供了理想的解決方案。最常見的隔離應用是在工業(yè)市場，例如工廠自動化、工藝控制、可編程邏輯控制器（PLC）或工藝自動化控制器（PAC）、電機控制逆變器和不間斷電源（UPS）等設備。工業(yè)自動化是隔離器的最大市場，工業(yè)系統(tǒng)設計人員非常重視CMOS隔離器帶來的高溫操作、卓越的器件一致性、低偏移和高抗噪性。

其他重要應用包括用于電信基站和服務器的隔離電源，它們?yōu)槲覀內(nèi)找姘l(fā)展的互聯(lián)世界——物聯(lián)網(wǎng)背后的基礎設施提供動力。數(shù)字技術的早期采用者是隔離電源制造商。這些電源主要用于服務器和電信基站。對于這個市場，最關鍵的參數(shù)是功率密度，或稱為W/mm3。它有助于全球倡議綠色的組織去建立更清潔的環(huán)境，同時也要求更高的效率以減少能源浪費。事實證明，擁有更高效率的系統(tǒng)也意味著更少的熱量損失，這使得系統(tǒng)尺寸能夠進一步縮小，因為不再需要占用較大空間的散熱器。與光耦相比，CMOS數(shù)字隔離器技術的最大影響在于這些新型隔離器件的時序特性。

由于數(shù)字隔離器不是基于切換LED的PN結以實現(xiàn)信號傳輸，因此開關速率提高了一個數(shù)量級。結合標準CMOS硅技術所采用的較小幾何形狀和更高可重復性和穩(wěn)定性的制造工藝所提供的優(yōu)勢，時序參數(shù)例如傳輸延遲、脈沖寬度失真或偏移、器件一致性和共模瞬變抗擾度（CMTI）等得到了極大的改善。在隔離行業(yè)中，CMTI基本上是指共模噪聲抑制能力，以電壓轉換速率kV/μs來衡量。光耦的局限性是由于涉及化合物半導體技術的制造工藝，它更適合光學操作而不是去實現(xiàn)快速和高精確性器件。數(shù)字隔離器的固有優(yōu)勢幫助電源OEM加強功率轉換器控制環(huán)路時序，從而提高了效率。

另一個快速興起的數(shù)字隔離器市場是汽車市場。盡管傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機（ICE）的汽車幾乎不使用任何隔離器，但自從引入電動汽車（EV）以來，這已經(jīng)發(fā)生了變化。電動汽車或各種形式的混合動力電動汽車（HEV）現(xiàn)在具有200V-400V的高壓電池，并且未來計劃用更高的電壓以實現(xiàn)更高的功率和/或容量以最大化每次充電后行駛的距離。這種高壓電池需要使用隔離器來實現(xiàn)車輛內(nèi)不同電壓域的安全和信號傳輸。事實上，所有主要汽車制造商都有即將推出EV/HEV的發(fā)布計劃。由于其高溫操作、穩(wěn)定性和抗噪性的要求，汽車行業(yè)也成為數(shù)字隔離器技術的早期采用者。終端應用如電池管理系統(tǒng)（BMS）和充電器正在推動EV/HEV市場對隔離器的需求。

光耦仍然享有整個隔離市場的大部分份額，甚至在高性能市場（大致特征是數(shù)據(jù)速率至少為1Mbps的隔離器產(chǎn)品和柵極驅(qū)動器等專用產(chǎn)品）。盡管光耦存在固有的性能缺陷，但它們?nèi)匀辉谑袌錾暇哂幸恍﹥?yōu)勢。最大的優(yōu)勢是光耦幾十年來一直是事實上的解決方案，設計人員對使用光耦感覺很放心并且覺得它們更安全，畢竟隔離器是安全器件。

數(shù)字隔離器自從最早期的使用來看已經(jīng)取得了長足進步，當時典型的產(chǎn)品僅僅提供基本的絕緣水平（大致相當于2.5kV隔離等級）。如今，數(shù)字隔離器可提供增強型和雙倍絕緣等級（5kV或更高），并且被認為與提供同等安全性的光耦相當。光耦的另一個優(yōu)點是它們本質(zhì)上不受外部電磁（EM）場的影響，并且輻射電磁噪聲較少。在工業(yè)市場這尤為重要，這些市場中通常存在產(chǎn)生高電磁場的設備，例如工廠車間的重型感應電動機，電子系統(tǒng)需要容忍這種外部電磁場。與基于磁性的數(shù)字隔離器相比，基于電容的數(shù)字隔離器對外部電磁場也具有高度免疫性并且輻射水平較低。一般而言，數(shù)字隔離器在時序特性、壽命穩(wěn)定性、CMTI和高溫操作方面具有優(yōu)勢。表1簡要說明了光耦和CMOS數(shù)字隔離器的優(yōu)缺點。

數(shù)字隔離器產(chǎn)品的增長率大約是整個隔離市場的兩倍，這表明最終用戶對將設計從傳統(tǒng)光耦轉換為數(shù)字隔離器的信心日益增強。

表1光耦合器和數(shù)字隔離器的比較

兼容性和安全標準

在確保最終用戶所選擇的隔離解決方案已經(jīng)通過通用標準測試，并且已被證明具有令人滿意的性能方面，隔離安全標準發(fā)揮著重要作用。在這方面，數(shù)字隔離器制造商和光耦制造商認識到最終的受益者是最終用戶，因此他們合作定義了一個新的兼容性標準，該標準不是一個簡單演進的光耦標準，而是一個真正適應光耦合器和CMOS數(shù)字隔離器之間制造和設計差異的標準。這個新的VDE 0884-11標準已經(jīng)是一個生效的規(guī)范。此外，即將發(fā)布的IEC標準版本——IEC 60747-17，大大地消減了客戶之前關于那些焦點問題的疑慮。

結論

基于CMOS的數(shù)字隔離器充分利用了最先進的半導體技術，并為系統(tǒng)設計人員提供了優(yōu)于傳統(tǒng)光耦器件的幾個關鍵優(yōu)勢。正如我們所看到的，這些優(yōu)勢正在改變游戲規(guī)則，有助于塑造電力供應、綠色能源和汽車等行業(yè)的發(fā)展，并將在不久的將來繼續(xù)推動其他市場的創(chuàng)新。