基于市場(chǎng)視角的光隔離器和數(shù)字隔離器評(píng)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(dòng)化、電信基站電源和電動(dòng)汽車（EV）車載充電器（OBC）等各種應(yīng)用設(shè)計(jì)中面臨一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)：

提供高壓下的安全性 — 保護(hù)電子控制設(shè)備和操作人員安全

在具有相對(duì)較高的地電位差的子系統(tǒng)之間進(jìn)行有效通信

防止電氣噪聲破壞敏感信號(hào)

通過在電路設(shè)計(jì)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(hào)而沒有任何電流流過的器件，因此能夠在阻擋噪聲的同時(shí)傳輸信號(hào)。此外，絕緣柵還可以保護(hù)設(shè)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(jiǎn)稱“光耦”。光耦的第一批專利于20世紀(jì)60年代發(fā)布。最早的形式包括初級(jí)側(cè)的微型白熾燈泡、作為絕緣或介電層的光學(xué)透明塑料、以及次級(jí)側(cè)上由所照射光量度進(jìn)行調(diào)制的光敏電阻器。后來的開發(fā)引入了更復(fù)雜的光耦合器件，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)（微型燈泡被初級(jí)側(cè)的半導(dǎo)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(guān)，使器件適用于各種直流和交流應(yīng)用。

直到基于CMOS的數(shù)字隔離器在20世紀(jì)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(hào)。圖1主要顯示了光耦合器和數(shù)字隔離器之間的技術(shù)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(gòu)成。

圖2光耦合器構(gòu)成（左）和數(shù)字隔離器構(gòu)成（右）的X射線圖像

光電器件的一個(gè)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(gè)電子的總光子數(shù)）在恒定電流下隨時(shí)間而減小。這主要是由于PN結(jié)的電應(yīng)力和熱應(yīng)力。這對(duì)于光耦合器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和操作有影響，特別是在高溫操作條件下。設(shè)計(jì)人員可以通過幾個(gè)補(bǔ)救措施來減緩老化的影響：

降低實(shí)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(dāng)然，這些操作限制了使用場(chǎng)景，這是因?yàn)楦綦x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(jié)二極管起作用，它們的開關(guān)速率相對(duì)較慢。因此，光耦只能運(yùn)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(shì)和CMOS數(shù)字隔離器

在日益增長(zhǎng)的帶寬和耗電量的現(xiàn)實(shí)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(yīng)用是在工業(yè)市場(chǎng)，例如工廠自動(dòng)化、工藝控制、可編程邏輯控制器（PLC）或工藝自動(dòng)化控制器（PAC）、電機(jī)控制逆變器和不間斷電源（UPS）等設(shè)備。工業(yè)自動(dòng)化是隔離器的最大市場(chǎng)，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)用包括用于電信基站和服務(wù)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(chǔ)設(shè)施提供動(dòng)力。數(shù)字技術(shù)的早期采用者是隔離電源制造商。這些電源主要用于服務(wù)器和電信基站。對(duì)于這個(gè)市場(chǎng)，最關(guān)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(shí)也要求更高的效率以減少能源浪費(fèi)。事實(shí)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(jìn)一步縮小，因?yàn)椴辉傩枰加幂^大空間的散熱器。與光耦相比，CMOS數(shù)字隔離器技術(shù)的最大影響在于這些新型隔離器件的時(shí)序特性。

由于數(shù)字隔離器不是基于切換LED的PN結(jié)以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，因此開關(guān)速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)CMOS硅技術(shù)所采用的較小幾何形狀和更高可重復(fù)性和穩(wěn)定性的制造工藝所提供的優(yōu)勢(shì)，時(shí)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(zhuǎn)換速率kV/μs來衡量。光耦的局限性是由于涉及化合物半導(dǎo)體技術(shù)的制造工藝，它更適合光學(xué)操作而不是去實(shí)現(xiàn)快速和高精確性器件。數(shù)字隔離器的固有優(yōu)勢(shì)幫助電源OEM加強(qiáng)功率轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路時(shí)序，從而提高了效率。

另一個(gè)快速興起的數(shù)字隔離器市場(chǎng)是汽車市場(chǎng)。盡管傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機(jī)（ICE）的汽車幾乎不使用任何隔離器，但自從引入電動(dòng)汽車（EV）以來，這已經(jīng)發(fā)生了變化。電動(dòng)汽車或各種形式的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）現(xiàn)在具有200V-400V的高壓電池，并且未來計(jì)劃用更高的電壓以實(shí)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(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)不同電壓域的安全和信號(hào)傳輸。事實(shí)上，所有主要汽車制造商都有即將推出EV/HEV的發(fā)布計(jì)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(shù)的早期采用者。終端應(yīng)用如電池管理系統(tǒng)（BMS）和充電器正在推動(dòng)EV/HEV市場(chǎng)對(duì)隔離器的需求。

光耦仍然享有整個(gè)隔離市場(chǎng)的大部分份額，甚至在高性能市場(chǎng)（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(dòng)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?chǎng)上具有一些優(yōu)勢(shì)。最大的優(yōu)勢(shì)是光耦幾十年來一直是事實(shí)上的解決方案，設(shè)計(jì)人員對(duì)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(zhǎng)足進(jìn)步，當(dāng)時(shí)典型的產(chǎn)品僅僅提供基本的絕緣水平（大致相當(dāng)于2.5kV隔離等級(jí)）。如今，數(shù)字隔離器可提供增強(qiáng)型和雙倍絕緣等級(jí)（5kV或更高），并且被認(rèn)為與提供同等安全性的光耦相當(dāng)。光耦的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們本質(zhì)上不受外部電磁（EM）場(chǎng)的影響，并且輻射電磁噪聲較少。在工業(yè)市場(chǎng)這尤為重要，這些市場(chǎng)中通常存在產(chǎn)生高電磁場(chǎng)的設(shè)備，例如工廠車間的重型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，電子系統(tǒng)需要容忍這種外部電磁場(chǎng)。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(duì)外部電磁場(chǎng)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(shí)序特性、壽命穩(wěn)定性、CMTI和高溫操作方面具有優(yōu)勢(shì)。表1簡(jiǎn)要說明了光耦和CMOS數(shù)字隔離器的優(yōu)缺點(diǎn)。

數(shù)字隔離器產(chǎn)品的增長(zhǎng)率大約是整個(gè)隔離市場(chǎng)的兩倍，這表明最終用戶對(duì)將設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)光耦轉(zhuǎn)換為數(shù)字隔離器的信心日益增強(qiáng)。

表1光耦合器和數(shù)字隔離器的比較

兼容性和安全標(biāo)準(zhǔn)

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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，并且已被證明具有令人滿意的性能方面，隔離安全標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)識(shí)到最終的受益者是最終用戶，因此他們合作定義了一個(gè)新的兼容性標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)不是一個(gè)簡(jiǎn)單演進(jìn)的光耦標(biāo)準(zhǔn)，而是一個(gè)真正適應(yīng)光耦合器和CMOS數(shù)字隔離器之間制造和設(shè)計(jì)差異的標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)新的VDE 0884-11標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)是一個(gè)生效的規(guī)范。此外，即將發(fā)布的IEC標(biāo)準(zhǔn)版本——IEC 60747-17，大大地消減了客戶之前關(guān)于那些焦點(diǎn)問題的疑慮。

結(jié)論

基于CMOS的數(shù)字隔離器充分利用了最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了優(yōu)于傳統(tǒng)光耦器件的幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。正如我們所看到的，這些優(yōu)勢(shì)正在改變游戲規(guī)則，有助于塑造電力供應(yīng)、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(dòng)其他市場(chǎng)的創(chuàng)新。