基于市場視角的光隔離器和數字隔離器評述

作者：Silicon Labs隔離和電源產品資深產品經理Ashish Gokhale

現代電子系統在工業自動化、電信基站電源和電動汽車（EV）車載充電器（OBC）等各種應用設計中面臨一系列獨特的挑戰：

提供高壓下的安全性 — 保護電子控制設備和操作人員安全

在具有相對較高的地電位差的子系統之間進行有效通信

防止電氣噪聲破壞敏感信號

通過在電路設計中引入電流隔離器可以解決這些挑戰。電流隔離器是在絕緣柵上耦合電數據或控制信號而沒有任何電流流過的器件，因此能夠在阻擋噪聲的同時傳輸信號。此外，絕緣柵還可以保護設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，簡稱“光耦”。光耦的第一批專利于20世紀60年代發布。最早的形式包括初級側的微型白熾燈泡、作為絕緣或介電層的光學透明塑料、以及次級側上由所照射光量度進行調制的光敏電阻器。后來的開發引入了更復雜的光耦合器件，使系統設計人員的工作變得容易了一些。它們基本上都是某種發光結構（微型燈泡被初級側的半導體發光二極管或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，使器件適用于各種直流和交流應用。

直到基于CMOS的數字隔離器在20世紀90年代后期開發成功之前，光耦基本上是唯一可用的解決方案。數字隔離器使用電感（磁）或電容耦合來傳輸信號。圖1主要顯示了光耦合器和數字隔離器之間的技術差異。

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成。

圖2光耦合器構成（左）和數字隔離器構成（右）的X射線圖像

光電器件的一個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電子的總光子數）在恒定電流下隨時間而減小。這主要是由于PN結的電應力和熱應力。這對于光耦合器的長期穩定性和操作有影響，特別是在高溫操作條件下。設計人員可以通過幾個補救措施來減緩老化的影響：

降低實際使用壽命

降低工作二極管電流和環境溫度

避免峰值瞬態電流

當然，這些操作限制了使用場景，這是因為隔離器本質上在存在這些條件的系統中最為有用。數字隔離器沒有這些物理限制。由于光耦基本上通過切換PN結二極管起作用，它們的開關速率相對較慢。因此，光耦只能運行在較低的數據速率下，并且有較大的傳播延遲和偏移。

行業趨勢和CMOS數字隔離器

在日益增長的帶寬和耗電量的現實世界中，新的基于CMOS的數字隔離器提供了理想的解決方案。最常見的隔離應用是在工業市場，例如工廠自動化、工藝控制、可編程邏輯控制器（PLC）或工藝自動化控制器（PAC）、電機控制逆變器和不間斷電源（UPS）等設備。工業自動化是隔離器的最大市場，工業系統設計人員非常重視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。

其他重要應用包括用于電信基站和服務器的隔離電源，它們為我們日益發展的互聯世界——物聯網背后的基礎設施提供動力。數字技術的早期采用者是隔離電源制造商。這些電源主要用于服務器和電信基站。對于這個市場，最關鍵的參數是功率密度，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境，同時也要求更高的效率以減少能源浪費。事實證明，擁有更高效率的系統也意味著更少的熱量損失，這使得系統尺寸能夠進一步縮小，因為不再需要占用較大空間的散熱器。與光耦相比，CMOS數字隔離器技術的最大影響在于這些新型隔離器件的時序特性。

由于數字隔離器不是基于切換LED的PN結以實現信號傳輸，因此開關速率提高了一個數量級。結合標準CMOS硅技術所采用的較小幾何形狀和更高可重復性和穩定性的制造工藝所提供的優勢，時序參數例如傳輸延遲、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。在隔離行業中，CMTI基本上是指共模噪聲抑制能力，以電壓轉換速率kV/μs來衡量。光耦的局限性是由于涉及化合物半導體技術的制造工藝，它更適合光學操作而不是去實現快速和高精確性器件。數字隔離器的固有優勢幫助電源OEM加強功率轉換器控制環路時序，從而提高了效率。

另一個快速興起的數字隔離器市場是汽車市場。盡管傳統的基于內燃機（ICE）的汽車幾乎不使用任何隔離器，但自從引入電動汽車（EV）以來，這已經發生了變化。電動汽車或各種形式的混合動力電動汽車（HEV）現在具有200V-400V的高壓電池，并且未來計劃用更高的電壓以實現更高的功率和/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現車輛內不同電壓域的安全和信號傳輸。事實上，所有主要汽車制造商都有即將推出EV/HEV的發布計劃。由于其高溫操作、穩定性和抗噪性的要求，汽車行業也成為數字隔離器技術的早期采用者。終端應用如電池管理系統（BMS）和充電器正在推動EV/HEV市場對隔離器的需求。

光耦仍然享有整個隔離市場的大部分份額，甚至在高性能市場（大致特征是數據速率至少為1Mbps的隔離器產品和柵極驅動器等專用產品）。盡管光耦存在固有的性能缺陷，但它們仍然在市場上具有一些優勢。最大的優勢是光耦幾十年來一直是事實上的解決方案，設計人員對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。

數字隔離器自從最早期的使用來看已經取得了長足進步，當時典型的產品僅僅提供基本的絕緣水平（大致相當于2.5kV隔離等級）。如今，數字隔離器可提供增強型和雙倍絕緣等級（5kV或更高），并且被認為與提供同等安全性的光耦相當。光耦的另一個優點是它們本質上不受外部電磁（EM）場的影響，并且輻射電磁噪聲較少。在工業市場這尤為重要，這些市場中通常存在產生高電磁場的設備，例如工廠車間的重型感應電動機，電子系統需要容忍這種外部電磁場。與基于磁性的數字隔離器相比，基于電容的數字隔離器對外部電磁場也具有高度免疫性并且輻射水平較低。一般而言，數字隔離器在時序特性、壽命穩定性、CMTI和高溫操作方面具有優勢。表1簡要說明了光耦和CMOS數字隔離器的優缺點。

數字隔離器產品的增長率大約是整個隔離市場的兩倍，這表明最終用戶對將設計從傳統光耦轉換為數字隔離器的信心日益增強。

表1光耦合器和數字隔離器的比較

兼容性和安全標準

在確保最終用戶所選擇的隔離解決方案已經通過通用標準測試，并且已被證明具有令人滿意的性能方面，隔離安全標準發揮著重要作用。在這方面，數字隔離器制造商和光耦制造商認識到最終的受益者是最終用戶，因此他們合作定義了一個新的兼容性標準，該標準不是一個簡單演進的光耦標準，而是一個真正適應光耦合器和CMOS數字隔離器之間制造和設計差異的標準。這個新的VDE 0884-11標準已經是一個生效的規范。此外，即將發布的IEC標準版本——IEC 60747-17，大大地消減了客戶之前關于那些焦點問題的疑慮。

結論

基于CMOS的數字隔離器充分利用了最先進的半導體技術，并為系統設計人員提供了優于傳統光耦器件的幾個關鍵優勢。正如我們所看到的，這些優勢正在改變游戲規則，有助于塑造電力供應、綠色能源和汽車等行業的發展，并將在不久的將來繼續推動其他市場的創新。