用数字隔离器取代传统的光耦合器

介绍

光耦合器是一种已有几十年历史的技术，广泛用于信号隔离，通常提供安全隔离、信号电平移位和地面回路缓解。它们通常用于广泛的终端应用中，包括数据通信电路、开关模式电源系统、测量和测试系统，以及孤立的数据采集系统。光耦合器有几个缺点，包括随温度和器件老化而变化的参数不稳定性、显著的内部寄生耦合、传播延迟时间长、工作温度范围窄和相对较低的可靠性。

在过去的30年里，光耦合器一直是“首选”隔离设备，因为它们是信号隔离问题的唯一集成解决方案。与光耦合器相比，当今先进的CMOS信号隔离产品提供了更好的定时性能、更高的可靠性和更低的功耗，并能捕获传统上由光耦合器持有的插座。然而，到目前为止，转换为CMOS隔离设备通常需要进行电路更改和PCB修改，这会花费成本并造成设计风险。

Si87xx系列可以作为现有系统中的针兼容光耦器升级，也可以作为新产品设计的设计组件。封装和引脚兼容性允许Si87xx取代光耦合器，大大提高器件性能和可靠性。器件操作简单：当阳极电流高于接通电流阈值时，Si87xx输出保持较低，当阳极电流低于接通电流阈值时，由内部或外部上拉电阻拉高。

Si87xx操作

图1显示了一个Si87xx方框图，其中输入侧电路包含一个二极管模拟器、高频发射器和电流隔离器，所有这些电路都由阳极引脚上的电压供电。二极管模拟器模拟光耦器LED的行为，以确保与现有光耦器输入电路的兼容性。

设备操作很简单：当阳极电流超过其开启阈值时，二极管模拟器启用发射器。这一动作导致发射机将高频载波通过隔离屏障传播到接收机，从而迫使输出驱动器变低。相反，低于关闭阈值的阳极电流使发射机失效，导致接收器释放输出引脚被上拉电阻拉高。

图1. Si8710数字隔离器方框图

与光耦合器相比，这个简单的架构有许多优点：

销和包插入光耦合器升级

与光耦合器相比，更快的传播时间，在电压和温度上更好的参数稳定性，内部低2-3倍的寄生耦合。

标准CMOS工艺技术

CMOS是一种公认的工艺技术，具有40+年的学习时间，比基于gaa的光耦合器的失效时间(FIT)低5.5倍，时间依赖性介电击穿(TDDB)为60年，平均失效时间(MTTF)为87年。CMOS还提供了光耦合器的工作温度范围为-40到+125°C，而不是-40到+85°C，在电压和温度上更大的参数稳定性，以及与光耦合器相比的更低的工作功率。

精确电流阈值

Si826x输出低或高，没有模糊的输出状态，良好的阈值稳定性。没有电流传输比率(CTR)问题需要解决。

改进的性能

与光耦器相比，更短的传播延迟时间和PWD，更宽的工作温度范围，更大的参数工作稳定性。

二氧化硅基电容式隔离屏障

二氧化硅是一种超稳定的材料，具有超过60年的使用寿命，而在光耦合器中使用寿命不到15年。

优越的浪涌容差

根据IEC 60065的标准，可承受10 kV的浪涌冲击

广泛的产品范围

Si87xx数字隔离器可在鸥翼PDIP8、SOIC8、LGA8和SDIP6封装，并提供可选的内部上拉电阻和外部启用。

用Si87xx替换现有的光耦合器

l 使用Si87xx数据表或在线指南来选择正确的，针脚兼容的Si87xx产品应用程序在手边。

l 从电路板上卸下现有的光耦合器，并丢弃它。

l 将选定的Si87xx器件焊接到光耦合器以前占用的位置。

l 调整的值射频使Si87xxa级和Si87xxc级的最大电流为3 mA设备或b级设备的6个mA(见下图公式1)。

l 连接电源，并验证系统是否正常运行。

请注意，Si87xx还与典型的外部设备提高光耦合器CMTI性能兼容，如短路开关、反向二极管夹等。这种类型的组件可以在用户的选项中保留在适当的位置或删除。

在新的设计中使用Si87xx

通常，唯一的计算值是电流限制电阻器的计算值，射频.第一步是确定应用是否从低阳极电流(A级或C级)或高共模瞬态免疫(B级)中获益更多。一旦做出这个决定，阳极电流阈值和最佳ON电流值，值计算射频(见公式1)很简单。

公式1

Si87xx封装和针脚兼容性使升级现有的光耦合器电路快速和容易。只需查找最接近现有光耦器的替换器，并用适当的 Si87xx替换光耦器(也可能还需要调整阳极输入电阻RF的值以实现最佳操作)。图2中的PCB同时使用了一个Si87xx数字隔离器和一个相互竞争的光耦合器。

外部数字输入信号被缓冲并输入到两个设备的输入，而输出信号在示波器上观察。图3 显示了两种设备在室温下的输出，而图4显示了在80°C下的输出。注意由Si87xx设备提供的更快的传播延迟上升时间。

图2. Opto对比EVB

图3。在室温下的光耦合器比较EVB

图4使用与图3相同的设置，但这一次在较高温度下工作。蓝色波形是Si8710A的输出，黄色波形是HCPL-4506的输出。与 图3相比，随着工作温度的升高，HCPL 4506输出下降边缘明显变慢，传播延迟恶化。请注意，Si8710A的输出性能基本相同，如图3所示

图4。在80°C下的光耦合器比较EVB

总结

Si87xx数字光耦合器升级是第一个也是唯一的增强光耦合器替代技术。与传统的光耦合器相比，该设备系列提供了更高的 性能、更高的可靠性、更大的易用性和更直观的设计。Si87xx可以很容易地改造到现有的光耦合器电路中，并且不需要进行PCB更改。这些设备是理想的改造或新的设计。

审核编辑：汤梓红