現代電子系統在工業自動化、電信基站電源和電動汽車（EV）車載充電器（OBC）等各種應用中的設計面臨著一系列獨特的挑戰，為電子控制設備和操作員提供高壓安全、在具有相對較高的地電位差的子系統之間進行有效通信、防止電噪聲破壞敏感信號

這些挑戰可以通過在電路設計中引入電流隔離器來解決。電流隔離器是將電氣數據或控制信號耦合到絕緣柵上而不產生任何電流的器件，從而能夠在阻擋噪聲的同時傳輸信號。絕緣屏障還可以保護設備和操作人員免受高壓的影響。

光耦合隔離器

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“optos”。optos的第一批專利是在1960年代頒發的。最早的形式包括初級側的微型白熾發光燈泡，透明（光學透明）塑料，用作絕緣或介電層以及光路，以及次級側的光敏電阻，其電阻由落在其上的光量調制。后來的開發引入了更復雜的光耦合器件，使系統設計人員的工作更容易一些。

它們基本上都是初級側的某種發光結構（微型燈泡被基于半導體的發光二極管或LED取代），再加上各種形式的光敏器件，如光敏電阻器、光電晶體管、光電二極管或三端雙向可控硅，使該器件適用于一系列直流和交流應用。在1990年代后期開發基于CMOS的數字隔離器之前，Optos基本上是唯一可用的解決方案，使用電感（磁）或電容耦合來傳輸信號。圖1突出顯示了光耦合器和數字隔離器之間的技術差異。

圖1光電與電容耦合CMOS隔離器的基本工作原理

圖2顯示了光電和數字隔離器的X射線圖像示例，以幫助可視化這些器件的物理結構。

圖2光耦合器組件（左）和數字隔離器組件（右）的X射線圖像

光的一個突出特點是老化問題。LED的量子效率，定義為輸入電流的每個電子的總光子，在恒定電流下隨時間而降低。這主要是由于PN結的電應力和熱應力。這對光耦合器的長期穩定性和工作性有影響，特別是在高溫工作時。設計師可以通過做幾件事來補償老化：

1.縮短實際使用壽命

2.降低工作二極管電流和環境溫度

3.避免峰值瞬態電流

當然，這些操作對用例施加了限制，因為隔離器在本質上存在此類條件的系統中最有用。數字隔離器沒有這樣的物理限制。由于光電器件基本上通過切換PN結二極管來工作，因此它們的開關速率相對較慢。因此，optos只能實現具有較大傳播延遲和偏斜的較低數據速率。

行業趨勢和CMOS數字隔離器

在帶寬和功耗日益高的要求下，基于CMOS的新型數字隔離器提供了理想的解決方案。隔離最常見的應用是在工業市場——工廠自動化、過程控制、可編程邏輯控制器（PLC）或過程自動化控制器（PAC）、電機控制逆變器和不間斷電源（UPS）等設備中。工業自動化是隔離器的最大市場，工業系統設計人員重視CMOS隔離器帶來的高溫操作、出色的器件間匹配、低偏斜和高抗擾度。其他重度應用包括電信基站和服務器中使用的隔離電源，這些服務器為我們日益互聯的世界（物聯網）背后的基礎設施供電。

數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，最關鍵的參數是功率密度，口頭禪是W/mm3.它有助于全球清潔環境的綠色倡議也要求提高效率以減少能源浪費。事實證明，擁有更高效率的系統也意味著更少的熱損失，這導致系統尺寸的進一步減小，因為不再需要占用空間的散熱器。與optos相比，CMOS數字隔離器技術的最大影響是這些新型隔離器器件的時序特性。

由于這些不是基于切換LED的PN結來實現信號傳輸，因此開關速率提高了一個數量級。結合標準CMOS硅技術使用的更小幾何尺寸和更可重復和更穩定的制造工藝所帶來的優勢，傳播延遲、脈沖寬度失真或偏斜、器件間匹配和共模瞬態抗擾度（CMTI）等時序參數得到了極大的改善。在隔離行業中，CMTI基本上是指共模噪聲抑制能力，以電壓壓擺率kV/μs來衡量。optos的局限性是由于涉及化合物半導體技術的制造過程，該技術更適合光學操作，而不是快速準確的設備。數字隔離器的固有優勢幫助電源OEM收緊了電源轉換器控制環路時序，從而提高效率。

數字隔離器的另一個快速新興市場是汽車。雖然傳統的基于內燃機（ICE）的汽車幾乎沒有使用任何隔離器，但隨著電動汽車的引入，這種情況發生了變化。目前，各種形式的混合動力電動汽車（HEV）和電動汽車的高壓電池范圍從200V到400V，并且計劃在未來使用更高的電壓，以實現更高的功率和/或容量，以最大化每次充電的距離。這種高壓電池需要使用隔離器，以確保車輛內不同電壓域之間的安全和信號傳輸。幾乎所有主要的汽車制造商都有即將推出的EV/HEV計劃。汽車行業也被證明是數字隔離器技術的早期采用者，因為它具有出色的高溫操作性、穩定性和抗噪性。電池管理系統（BMS）和充電器等終端應用正在推動EV/HEV市場對隔離器的需求。

Optos仍然占據整個隔離市場的大部分份額，即使在高性能領域也是如此（大致特征為數據速率至少為1Mbps的隔離器產品和柵極驅動器等專用產品）。盡管optos存在內在性能缺陷，但它們在市場上仍然具有一些優勢。最大的優勢是，幾十年來，optos一直是事實上的解決方案;設計人員對使用Optos感到滿意，并且覺得它們更安全——畢竟，隔離器是安全設備。

數字隔離器與最早的實現相比已經走了很長一段路，后者通常只提供基本的絕緣水平（大致相當于2.5kV隔離額定值）。如今，數字隔離器有增強型和雙絕緣額定值（5kV或更高），在提供安全性方面被認為與optos相當。optos的另一個優點是它們本質上不受外部電磁（EM）場的影響，并且輻射的EM噪聲也更少。例如，在工廠車間存在重型感應電機等高電磁場發電機的工業市場中，這是一個優勢，并且電子系統需要容忍此類外部磁場。與基于磁性的數字隔離器相比，基于電容的數字隔離器還高度不受外部EM場的影響，并且輻射水平較低。不過，一般而言，數字隔離器在定時特性、使用壽命穩定性、CMTI和高溫工作方面具有優越性。數字隔離器產品的增長率大約是整個隔離市場的兩倍，這表明最終用戶越來越有信心將其設計從傳統光電切換到數字隔離器。




審核編輯：劉清