光耦隔离器与数字隔离器对比

光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离。光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起。光耦隔离电路使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的干扰，特别是低压的控制电路与外部高压电路之间。

数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所无法比拟的巨大优势。

多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限， 唯一合理的选择是光耦合器。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。

光耦隔离器

光耦合组件是最早的隔离器，也称为光耦隔离器或光耦合器，简称「光耦」（optos）。第一代光耦于1960年代取得专利。早期的型式包括微型白炽灯泡一次侧上的透明（光学透明）塑料，作为绝缘或介电层和光路，以及次级侧上透过光照进行调节的光敏电阻器。之后开发出更精良的光耦合组件，以便利系统设计者工作。

图1：光耦合和电容耦合CMOS隔离器的基本操作原理

这些基本上都是一次侧上某种发光结构（微型灯泡被以半导体为材料的发光二极管或LED取代），再加上多样类型的感光组件，如光敏电阻器、光电晶体管、光电二极管或三端双向闸流器（TRIAC），使装置适用于直流和交流的各种应用。

直至1990年代后期以CMOS为基础的数字隔离器发展出之前，光耦基本上是唯一的解决方案。数字隔离器使用电感（磁性）或电容耦合来传输讯号，图1强调光耦合器和数字隔离器之间的技术差异。图2为光耦合器和数字隔离器的X光图，具体展现这些组件的物理结构。

图2：光耦合器组件（左）和数字隔离器组件（右）的X光图

光耦的老化特性相当明显，在恒定电流下LED的量子效率（定义为总电子量与入射光子的比值）随着时间衰减，这是因为PN接面的电气和温度应力渐增的原因。这将影响光耦合器的长期稳定性和操作，特别是在高温操作环境更加明显。设计者可以藉由一些方法推迟老化：

缩短实际使用寿命；

调降二极管的电流和环境温度；

避免瞬间极大电流。

当然，上述这些操作方法限制了使用案例，即使隔离器在本体存在这种条件的系统中最为有用。数字隔离器则没有这些物理限制。光耦透过PN接面的二极管产生作用，所以转换速率相对较慢。因此，光耦的数据传输率较慢，传输延迟和偏移也更加明显。

产业趋势和CMOS数字隔离器

在带宽需求和耗电量日渐成长的情况下，以CMOS为基础的数字隔离器提供一个理想的解决方案。隔离应用在工业市场中最为常见，例如工厂自动化、制程控制、可程序化逻辑控制器（PLC）或可编程自动化控制器（PAC）、马达驱动控制和不间断电源（UPS）等设备。工业自动化是隔离器的最大市场，工业系统设计者们非常重视CMOS隔离器所带来的好处，包括高温环境操作、优异的组件匹配性、减少偏移和高耐噪性。

其他重要应用包括用于电信基地台和服务器的隔离电源，这些都为日新月异的因特网世界提供基础设施动力。隔离电源制造商是数字技术的早期采用者，这些电源主要应用于服务器和电信基地台。功率密度是市场上的关键参数，或称为W/mm3，有助于全球绿色组织倡导环境保护，提升能源使用效率并减少耗损。事实证明，高效能系统意味着更少的热能损失，因为不需要继续使用大型的散热片占用空间，所以能够进一步缩小系统尺寸。相较于光耦，CMOS数字隔离器技术的最大影响在于这些新型隔离组件的时序特性。

数字隔离器和LED以转换PN接面为基础来进行讯号传输不同，转换率因此大幅提升。结合标准硅晶CMOS技术采用较小几何尺寸、高重复性和稳定制程所提供的优势，时序参数例如传输延迟、脉冲宽度失真或偏移、组件匹配性和共模瞬变抗噪声能力（CMTI）等，都有极大的改善。在隔离器产业中，CMTI基本上代表共模噪声耐受能力，以电压回转率kV/？s做为标准。光耦受限于采用化合物半导体的制程技术，较适用于光学应用，不适合做成其他快速和高精确性的组件。数字隔离器的既有优势在于协助电源OEM厂商更有效控制功率转换器的回路时序，以进一步提高效率。

数字隔离器也在汽车产业中开创了新兴市场，尽管传统的标准内燃机（ICE）驱动汽车几乎不采用隔离器，但自从EV问世以来，这些应用逐渐改变。目前EV或各式各样的混合动力车辆（HEV）通常配置200V~400V高电压电池，未来的产业趋势采用更高电压的电池，藉此达到更高的功率和/或电池容量以及续航力。这种高电压电池必须使用隔离器，确保汽车内不同电压场域的安全性和讯号传输。许多汽车制造大厂竞相投入EV/HEV布局，为了优化高温操作、稳定性和抗噪性，汽车产业成为数字隔离器技术的采用先驱。EV/HEV的终端应用如电池管理系统（BMS）和充电器，加速推动市场上对隔离器的需求。

光耦占据了隔离器市场的绝大部分，甚至在高性能市场（数据速率至少为1Mbps的隔离器产品和闸极驱动器等特定产品）也是如此。尽管光耦受限于固有的性能缺陷，在市场上仍然具备一些优势。最大的优势，为几十年来光耦一直是实务上的解决方案，设计人员对使用光耦感到放心和更加安全，毕竟隔离器属于安全组件。

相较早期只能提供基本绝缘（约2.5kV绝缘等级）的普通产品，数字隔离器技术不断成熟。如今，数字隔离器可提供强化和双倍绝缘等级（5kV或更高），而能和光耦的安全性相提并论。光耦的另一个优点是它们本质上不受外部电磁（EM）场影响和极低的辐射电磁噪声，这对充满高电磁设备的工业市场特别重要，例如工厂厂房的重载感应马达和电子系统均会受到这些外部电磁的干扰。

相较于电磁耦合数字隔离器，电容耦合数字隔离器对外部电磁场具备高度隔离性和低辐射性。一般而言，数字隔离器在时序特性、寿命稳定性、CMTI和高温操作方面具备优势。表1简要说明了光耦和CMOS数字隔离器的优缺点。数字隔离器产品的成长率大约是整体隔离市场的两倍，显示终端用户对于将传统光耦转换为数字隔离器充满信心。

表1：光耦合器和数字隔离器比较

兼容性和安全标准

隔离安全标准扮演着相当重要的角色，可确保终端用户选用的隔离解决方案通过全球标准测试和检验，并具备良好效能。在这方面，数字隔离器制造商和光耦制造商认为终端用户才是最终的受益者，因此合作定义出全新的兼容性标准，该标准并非单纯地依循旧法，而是针对光耦合器和CMOS数字隔离器之间，制造和设计的差异定义出的具体标准。这项新的VDE 0884-11标准已经发表生效。此外，即将发布的IEC标准版本──IEC 60747-17也将为客户舒解以往的担心。

结论

CMOS基础的数字隔离器充分利用了最先进的半导体技术，提供系统设计者优于传统光耦组件的关键优势。正如同所见，这些优势逐渐改变游戏规则，并有助于塑造电源供应、绿色能源和汽车等产业的发展，并持续推动其他创新市场。