隨著工業、汽車、通信和個人電子應用對可靠信號隔離的需求不斷增長，最近的設計趨勢已經從光耦合器等傳統隔離技術轉向數字隔離器。盡管數字隔離盛行，但與光耦合器相比，關于其有效性的幾個常見誤解仍然存在。同樣，關于光耦合器的可靠性能和壽命也存在一些誤解或神話。在本文中，我將對這兩種設備的常見誤解進行事實核查。

什么是光耦合器？什么是數字隔離器？

在探討這些神話之前，讓我們回顧一下這些技術之間的差異：

光耦合器使用邏輯輸入來產生輸入側電流。LED 通過模塑料屏障將信號作為光傳輸到接收光電探測器和位于隔離屏障另一側的輸出。

數字隔離器使用基于硅的互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術，具有兩個集成電路 (IC) 和內置于硅工藝中的高壓電介質。數字隔離器將數字信號轉換為高頻域，并通過基于電容的高壓二氧化硅電介質屏障發送信號。

光耦誤區一：光耦有可靠的故障條件

有一個常見的誤解，即當高壓事件破壞器件時，光耦合器總是會因“開路”電路而失效。盡管光耦合器有多種失效打開方式，但光耦合器也可能在“短路”電路中失效，具體取決于高壓系統中不同的故障模式。

在第一種故障模式的條件下，當隔離柵上施加的電壓超過隔離器的額定限值時，隔離柵對于光耦合器和數字隔離器都可能發生短路故障。德州儀器 (TI) 在其實驗室中測試了第一個故障模式；白皮書“了解隔離器中的故障模式”描述了對故障短路結果的觀察。

第二種故障模式，即隔離器內的高壓和大電流損壞電路，可能導致兩種設備類型出現故障打開情況。這些高壓事件可能會破壞足夠多的設備電路，使其不再正常工作，但會留下足夠多的隔離柵完好無損以仍然提供隔離。

圖 1a顯示了光耦合器上的高壓事件，圖 1b顯示了數字隔離器上的類似事件。根據高壓事件的類型和屏障的強度，可能會發生不同程度的退化。為防止由第一種故障模式引起的短路故障，您必須選擇滿足或超過設計電氣安全標準的隔離器。

（一個）

(b)圖 1：(a) 光耦合器一側和 (b) 數字隔離器一側的高壓事件橫截面。（來源：德州儀器公司）

光耦合器誤區二：光耦合器的壽命是可預測的，幾乎沒有變化

對于所有電子設計，確保 IC 能夠在產品的整個生命周期內持續使用至關重要。對于隔離器件來說尤其如此，因為它們在存在多個電壓域的情況下可以保護信號。盡管您可能期望兩個相同的光耦合器具有非常相似的高壓壽命，但實際上不同器件的高壓性能可能存在顯著差異，這通常是因為光耦合器的隔離柵是在生產的組裝階段產生的。

數字隔離器制造商通常在更嚴格控制的硅晶片制造過程中構建其隔離屏障。圖 2說明了高壓壽命和變化的差異，其中高壓壽命更長，并且此測試中使用的 TI 數字隔離器分布更緊密。要了解有關此主題的更多信息，請參閱白皮書“通過用數字隔離器替換光耦合器來提高系統性能”。

圖 2：光耦合器和數字隔離器的時間相關介電擊穿。單擊以獲得更大的圖像。（來源：德州儀器公司）

光耦合器誤區 3：光耦合器數據表規格將持續器件的使用壽命

您可能沒有意識到光耦合器中 LED 的光輸出會隨著時間的推移而降低，這對電流傳輸比 (CTR) 等參數有直接影響。光耦合器內的模塑料會隨著時間的推移而變黃，導致通過隔離柵的光減少，進一步降低了 CTR。最終，CTR 將下降到設備不再正常運行的水平，從而導致高故障率和低平均故障間隔時間。

為了抵消這一點，設計人員通常會過度設計以考慮隨著時間的推移預期的退化，這可能導致更高的初始功耗。這些問題并不總是在光耦合器數據表中提及，因此很難在隔離設計中加以考慮。例如， TI 數字隔離器使用高度控制的制造制造工藝，我們的數據表確實考慮了最小或最大規格的老化，有助于在設備的整個生命周期內設定性能預期。

光耦合器誤區 4：隔離受光耦合器最高工作溫度的限制

典型光耦合器的額定最高工作溫度為 85°C。盡管市場上有更高額定溫度的光耦合器，但選擇有限，而且它們通常更昂貴。相比之下，數字隔離器可以輕松支持高達 125°C 的工作溫度。對于需要高達 150°C 溫度支持的汽車設計，TI 的 0 級認證ISO7741E-Q1等數字隔離器有助于在峰值環境溫度下提供可靠的系統運行。對于每個組件都需要在 110°C 以上可靠運行的高溫設計，較低的額定溫度可能會帶來問題。否則，系統性能或設備壽命可能會在高溫下降低。

光耦合器誤區五：無初級側供電意味著低功耗

在配置系統以降低功耗時，重要的是要考慮如何驅動隔離器的輸入。光耦合器由電流輸入驅動，而數字隔離器由電壓輸入驅動——CMOS 或晶體管-晶體管邏輯。

光耦合器可以通過控制電壓和電流的串聯電阻器驅動數字設備輸入，例如微控制器、模數轉換器和數模轉換器。輸入電流需要高達 10 mA 才能激活 LED 并滿足產品生命周期內的可靠性，這會導致輸入端的高功耗。

TI 的ISO7041等數字隔離器通常要求通道輸入端的待機電流小于 10 μA。圖 3顯示了 ISO7041 的電流消耗與數據速率的關系。在該測試中，器件的所有四個通道消耗的電流均低于 20 μA。

圖 3：ISO7041 的電流消耗與數據速率。。（來源：德州儀器公司）

數字隔離器誤區一：小數字隔離器 DTI 表明隔離性能較弱

隔離器的絕緣層距離 (DTI) 是指用于高壓側和低壓側之間絕緣的電介質的距離或厚度。對于光耦合器，DTI 是 LED 和光電探測器之間的距離。對于基于電容的數字隔離器，DTI 是電容器兩個極板之間的距離。

由于歷史安全標準基于光耦合器技術設定了最低 DTI 要求，因此存在一種誤解，即所有隔離器的 DTI 必須 >0.4 mm 才能滿足當今嚴格的增強型隔離認證要求。然而，實際上，隔離器勢壘的強度是 DTI 以及電介質材料的高壓強度的組合。

光耦合器的介電強度要低得多，因此需要更大的 DTI。基于電容的數字隔離器使用具有顯著更高介電強度的二氧化硅，并且可以支持 DTI 低至 21 μm 的增強型隔離。

隨著時間的推移，管理設備操作安全標準的組織已經考慮到這一點，并更新了法規，以允許基于正在評估的技術使用更薄的電介質。表1列出了不同絕緣材料的介電強度。

表 1：常見絕緣材料的介電強度。。（來源：德州儀器公司）

數字隔離器誤區二：數字隔離器的成本遠高于光耦合器

盡管這個神話具有歷史意義，但數字隔離器技術在過去十年中取得了顯著進步，以更低的成本實現更高的性能。在同一封裝中實現高通道數密度的能力也有利于降低整體系統成本。例如，ISO6741在同一封裝中提供四個增強隔離通道，從而以合理的每通道成本提供強大的隔離解決方案。

數字隔離器神話 3：數字隔離器集成和節省電路板空間是有代價的

數字隔離器的最大優勢之一是它們能夠將其他系統要求集成到同一封裝中。控制器局域網、RS-485、I 2 C 和低壓差分信號等隔離接口就是很好的例子。您可能擔心購買帶有集成收發器的數字隔離器會對您的預算產生不利影響，但事實是，集成數字隔離器有很多好處，尤其是與類似的分立光耦合器解決方案相比。

分立光耦合器解決方案的最大缺點是許多分立元件（電阻器、電容器、二極管、施密特緩沖器、晶體管）的成本以及它們最終消耗的電路板空間。圖 4比較了光耦合器和ISO1500集成 RS-485 數字隔離器的尺寸。有關此比較的更多信息，請參閱技術文章“用于隔離式 RS-485 設計的光耦合器的隱藏成本”。

圖 4：分立式和完全集成式隔離 RS-485 解決方案之間的印刷電路板比較（來源：德州儀器公司）

結論

在過去的幾十年里，數字隔離取得了長足的進步，現在是許多設計人員的首選隔離解決方案。下次您的設計需要可靠的信號隔離解決方案時，請記住本文中描述的神話和事實。