光耦和数字隔离器的常见误区

随着工业、汽车、通信和个人电子应用对可靠信号隔离的需求不断增长，最近的设计趋势已经从光耦等传统隔离技术转向数字隔离器。尽管数字隔离盛行，但与光耦合器相比，关于其有效性仍然有几个常见误解。同样，关于光耦的可靠性能和寿命也存在一些误解或神话。在本文中，我将对这两种器件的常见误解进行说明。

什么是光耦?什么是数字隔离器?

在探索这些之前，让我们回顾一下这些技术之间的差异：

光耦使用逻辑输入来产生输入侧电流，由LED将信号转换成光，然后通过隔离传输到另一侧，再由光电探测器转换为电信号。

数字隔离器使用基于硅的CMOS技术，具有两个集成电路和内置于硅工艺中的高压电介质。数字隔离器将数字信号转换为高频域，并通过基于电容的高压二氧化硅电介质屏障发送射频信号。

光耦误区一：光耦非常可靠

有一个常见的误解，即当高压破坏器件时，光耦合器总是会因“开路”电路而失效。尽管光耦有多种失效方式，但光耦合器也可能在“短路”电路中失效，具体取决于高压系统中不同的故障模式。

在第一种故障模式下，当隔离栅上施加的电压超过隔离器的额定限值时，隔离栅对于光耦合器和数字隔离器都可能发生短路故障。德州仪器 (TI) 在其实验室中测试了第一个故障模式;白皮书“了解隔离器中的失效模式”具体描述了对失效短路结果的观察。

第二种故障模式，即隔离器内的高压和大电流破坏电路，可能导致发生故障从而打开情况。这些高压事件可能会导致更多的电路遭到破坏，使其不再正常工作，但隔离栅却仍然完好。

图 1a 显示了光耦合器上的高压事件，图 1b 显示了数字隔离器上的类似事件。根据高压事件的类型和屏障的强度，可能会发生不同程度的退化。为防止由第一种故障模式引起的短路故障，必须选择满足或超过电气安全标准的隔离器。

图 1：(a) 光耦合器一侧和 (b) 数字隔离器一侧发生高压事故时的横截面。(来源：TI)

光耦误区二：光耦的寿命是可预测的，几乎没有变化

对于所有电子设计，确保 IC 能够在产品的整个生命周期内持续使用至关重要。对于隔离器件来说尤其如此，因为它们在多个电压域的情况下保护信号。尽管您可能期望两个相同的光耦具有非常相似的高压寿命，但实际上不同器件的高压性能可能存在显着差异，这通常是因为光耦的隔离栅是在封装阶段产生的。

数字隔离器制造商通常在更严格控制的硅芯片制造过程中构建其隔离屏障。图 2 说明了高压寿命和变化的差异，其中高压寿命更长，并且此测试中使用的 TI 数字隔离器分布更紧密。要了解有关此主题的更多信息，请参阅白皮书“通过用数字隔离器替换光耦合器来提高系统性能”。

图 2：光耦和数字隔离器的时间相关介电击穿特性。(来源：TI)

光耦误区三：光耦Datasheet规格将严格符合器件的使用寿命

您可能没有意识到光耦中 LED 的光输出会随着时间的推移而降低，这对电流传输比 (CTR) 等参数有直接影响。光耦内的塑料材质会随着时间的推移而变黄，从而导致通过隔离屏障的光减少，进一步减低传输率。最终，CTR 将下降到器件不再正常运行的水平，从而导致高故障率和低平均故障间隔时间。

为了抵消这一点，设计人员通常会设计出余量以考虑随着时间推移的预期退化，这可能导致更高的初始功耗。这些问题并不总是在光耦Datasheet中提及，因此很难在隔离设计中加以考虑。例如，TI 数字隔离器使用高度可控的制造工艺，Datasheet考虑了最小或最大规格的老化，有助于在设备的整个生命周期内设定性能预期。

光耦误区四：光耦的最高工作温度更高

典型光耦合器的额定最高工作温度为 85°C。尽管市场上有更高额定温度的光耦合器，但选择有限，而且它们通常更昂贵。相比之下，数字隔离器可以轻松支持高达 125°C 的工作温度。对于需要高达 150°C 温度支持的汽车设计而言，TI 的Grade-0认证ISO7741E-Q1 等数字隔离器有助于在高峰值环境温度下提供可靠的系统运行。对于每个组件都需要在 110°C 以上可靠运行的高温设计，较低的额定温度可能会带来问题。不然，系统性能或器件寿命可能会受影响。

光耦误区五：无初级侧供电意味着功耗更低

在配置系统以降低功耗时，重要的是要考虑如何驱动隔离器的输入。光耦由电流输入驱动，而数字隔离器由电压输入驱动——CMOS 或晶体管逻辑。

光耦合器可以通过控制电压和电流的串联电阻器驱动数字设备输入，例如微控制器、模数转换器和数模转换器。输入电流需要高达 10 mA 才能激活 LED 并满足产品生命周期内的可靠性，这可能导致输入端的高功耗。

TI 的 ISO7041 等数字隔离器通常输入端的待机电流要求小于 10 µA。图 3 显示了 ISO7041 的电流消耗与数据速率的关系。在该测试中，器件的所有四个通道消耗的电流均低于 20 µA。

图 3：ISO7041 的电流消耗与数据速率。(来源：TI)

数字隔离器误区一：数字隔离器更小的DTI表明隔离性能较弱

隔离器的绝缘层距离 (DTI) 是指用于高压侧和低压侧之间绝缘的电介质的距离或厚度。对于光耦，DTI 是 LED 和光电探测器之间的距离。对于基于电容的数字隔离器，DTI 是电容器两个极板之间的距离。

由于历史安全标准，基于光耦合器技术设定了最低 DTI 要求，因此存在一种误解，即所有隔离器的 DTI 必须大于0.4 mm 才能满足当今严格的增强隔离认证要求。然而，实际上，隔离器势垒的强度是 DTI 和电介质材料的组合。

光耦的介电强度要低得多，因此需要更大的 DTI。基于电容的数字隔离器使用更高介电强度的二氧化硅，并且可以支持 DTI 低至 21 µm 的增强型隔离。

随着时间的推移，管理设备操作安全标准的组织已经考虑到这一点，并更新了法规，以允许基于正在评估的技术使用更薄的电介质。表1列出了不同绝缘材料的介电强度。

表 1：常见绝缘材料的介电强度。(来源：TI)

数字隔离器误区二：数字隔离器的成本远高于光耦

尽管这一误区具有历史意义，但数字隔离器技术在过去十年中取得了显着进步，以更低的成本实现更高的性能。在同一封装中实现多通道数的能力也有利于降低整体系统密度和成本。例如，ISO6741 在同一封装中提供四个增强隔离通道，从而以合理的每通道成本提供强大的隔离解决方案。

数字隔离器误区三：数字隔离器集成和节省电路板空间是有代价的

数字隔离器的最大优势之一是它们能够将其他系统要求集成到同一个封装中通用电气控制器局域网、RS-485、I2C 和LVDS信号等隔离接口就是很好的例子。您可能担心购买带有集成收发器的数字隔离器会对影响预算，但事实是集成数字隔离器有很多好处，尤其是与类似的分立光耦解决方案相比。

分立光耦解决方案的最大缺点是许多分立元件(电阻器、电容器、二极管、施密特缓冲器、晶体管)的成本以及它们的PCB面积。图 4 比较了光耦和 ISO1500 集成 RS-485 数字隔离器的尺寸。有关此比较的更多信息，请参阅技术文章“用于隔离式 RS-485 设计的光耦合器的隐藏成本”。

图 4：RS-485分立式和完全集成式隔离方案之间的PCB比较(来源：TI)

结论

在过去的几十年里，数字隔离取得了长足的进步，现在已成为许多设计人员首选的隔离解决方案。您的设计需要可靠的信号隔离解决方案时，请记住本文中描述的误区和事实。

原文标题：关于隔离技术常见的误区与过度的神话

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审核编辑：汤梓红