基于技术性能的光隔离器和数字隔离器视图

现代电子系统在工业自动化、电信基站电源和电动汽车（EV） 车载充电器 （OBC） 等各种应用中的设计面临着一系列独特的挑战，为电子控制设备和操作员提供高压安全、在具有相对较高的地电位差的子系统之间进行有效通信、防止电噪声破坏敏感信号

这些挑战可以通过在电路设计中引入电流隔离器来解决。电流隔离器是将电气数据或控制信号耦合到绝缘栅上而不产生任何电流的器件，从而能够在阻挡噪声的同时传输信号。绝缘屏障还可以保护设备和操作人员免受高压的影响。

光耦合隔离器

最早的隔离器是光耦合器件，也称为光隔离器或光耦合器，简称“optos”。optos的第一批专利是在1960年代颁发的。最早的形式包括初级侧的微型白炽发光灯泡，透明（光学透明）塑料，用作绝缘或介电层以及光路，以及次级侧的光敏电阻，其电阻由落在其上的光量调制。后来的开发引入了更复杂的光耦合器件，使系统设计人员的工作更容易一些。
 
它们基本上都是初级侧的某种发光结构（微型灯泡被基于半导体的发光二极管或LED取代），再加上各种形式的光敏器件，如光敏电阻器、光电晶体管、光电二极管或三端双向可控硅，使该器件适用于一系列直流和交流应用。在1990年代后期开发基于CMOS的数字隔离器之前，Optos基本上是唯一可用的解决方案，使用电感（磁）或电容耦合来传输信号。图1突出显示了光耦合器和数字隔离器之间的技术差异。
 

图1 光电与电容耦合CMOS隔离器的基本工作原理 

图2显示了光电和数字隔离器的X射线图像示例，以帮助可视化这些器件的物理结构。

 

图2 光耦合器组件（左）和数字隔离器组件（右）的X射线图像

光的一个突出特点是老化问题。LED的量子效率，定义为输入电流的每个电子的总光子，在恒定电流下随时间而降低。这主要是由于PN结的电应力和热应力。这对光耦合器的长期稳定性和工作性有影响，特别是在高温工作时。设计师可以通过做几件事来补偿老化：

1.缩短实际使用寿命

2.降低工作二极管电流和环境温度

3.避免峰值瞬态电流

当然，这些操作对用例施加了限制，因为隔离器在本质上存在此类条件的系统中最有用。数字隔离器没有这样的物理限制。由于光电器件基本上通过切换PN结二极管来工作，因此它们的开关速率相对较慢。因此，optos只能实现具有较大传播延迟和偏斜的较低数据速率。

行业趋势和CMOS数字隔离器

在带宽和功耗日益高的要求下，基于CMOS的新型数字隔离器提供了理想的解决方案。隔离最常见的应用是在工业市场——工厂自动化、过程控制、可编程逻辑控制器 （PLC） 或过程自动化控制器 （PAC）、电机控制逆变器和不间断电源 （UPS） 等设备中。工业自动化是隔离器的最大市场，工业系统设计人员重视CMOS隔离器带来的高温操作、出色的器件间匹配、低偏斜和高抗扰度。其他重度应用包括电信基站和服务器中使用的隔离电源，这些服务器为我们日益互联的世界（物联网）背后的基础设施供电。

数字技术的早期采用者是隔离电源制造商。这些电源主要用于服务器和电信基站。对于这个市场，最关键的参数是功率密度，口头禅是W/mm3.它有助于全球清洁环境的绿色倡议也要求提高效率以减少能源浪费。事实证明，拥有更高效率的系统也意味着更少的热损失，这导致系统尺寸的进一步减小，因为不再需要占用空间的散热器。与optos相比，CMOS数字隔离器技术的最大影响是这些新型隔离器器件的时序特性。

由于这些不是基于切换LED的PN结来实现信号传输，因此开关速率提高了一个数量级。结合标准CMOS硅技术使用的更小几何尺寸和更可重复和更稳定的制造工艺所带来的优势，传播延迟、脉冲宽度失真或偏斜、器件间匹配和共模瞬态抗扰度（CMTI）等时序参数得到了极大的改善。在隔离行业中，CMTI基本上是指共模噪声抑制能力，以电压压摆率kV/μs来衡量。optos的局限性是由于涉及化合物半导体技术的制造过程，该技术更适合光学操作，而不是快速准确的设备。数字隔离器的固有优势帮助电源OEM收紧了电源转换器控制环路时序，从而提高效率。

数字隔离器的另一个快速新兴市场是汽车。虽然传统的基于内燃机（ICE）的汽车几乎没有使用任何隔离器，但随着电动汽车的引入，这种情况发生了变化。目前，各种形式的混合动力电动汽车（HEV）和电动汽车的高压电池范围从200V到400V，并且计划在未来使用更高的电压，以实现更高的功率和/或容量，以最大化每次充电的距离。这种高压电池需要使用隔离器，以确保车辆内不同电压域之间的安全和信号传输。几乎所有主要的汽车制造商都有即将推出的EV / HEV计划。汽车行业也被证明是数字隔离器技术的早期采用者，因为它具有出色的高温操作性、稳定性和抗噪性。电池管理系统 （BMS） 和充电器等终端应用正在推动 EV/HEV 市场对隔离器的需求。

Optos仍然占据整个隔离市场的大部分份额，即使在高性能领域也是如此（大致特征为数据速率至少为1 Mbps的隔离器产品和栅极驱动器等专用产品）。尽管 optos 存在内在性能缺陷，但它们在市场上仍然具有一些优势。最大的优势是，几十年来，optos一直是事实上的解决方案;设计人员对使用 Optos 感到满意，并且觉得它们更安全——毕竟，隔离器是安全设备。

数字隔离器与最早的实现相比已经走了很长一段路，后者通常只提供基本的绝缘水平（大致相当于2.5 kV隔离额定值）。如今，数字隔离器有增强型和双绝缘额定值（5 kV或更高），在提供安全性方面被认为与optos相当。optos的另一个优点是它们本质上不受外部电磁（EM）场的影响，并且辐射的EM噪声也更少。例如，在工厂车间存在重型感应电机等高电磁场发电机的工业市场中，这是一个优势，并且电子系统需要容忍此类外部磁场。与基于磁性的数字隔离器相比，基于电容的数字隔离器还高度不受外部EM场的影响，并且辐射水平较低。不过，一般而言，数字隔离器在定时特性、使用寿命稳定性、CMTI和高温工作方面具有优越性。数字隔离器产品的增长率大约是整个隔离市场的两倍，这表明最终用户越来越有信心将其设计从传统光电切换到数字隔离器。




审核编辑：刘清