為什么電路設(shè)計需要考慮電氣隔離?

凡是涉及到AC-DC或中高電壓DC-DC電源轉(zhuǎn)換的電子電路，都需要電氣隔離。電氣隔離是指在電路中避免電流在兩個區(qū)域之間流通，確保沒有實際的電氣連接，它主要有兩方面的作用：

保障人員和設(shè)備的安全：電氣隔離可以使一個系統(tǒng)上兩個電路之間保持獨立，比如一個電路是強電電路，另一個是弱電電路，如果沒有進(jìn)行電氣隔離，一旦發(fā)生故障，強電電路的電流直接流到弱電電路，那將會對人員造成觸電的傷害，或?qū)﹄娐芳霸O(shè)備造成損害。

提高電路的抗干擾能力：電氣隔離可以去除兩個電路之間的接地環(huán)路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，讓電子系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性。

電子工程師在進(jìn)行電路設(shè)計時，有很多隔離方案可供選擇，比如變壓器和繼電器等。但最有效和常用的隔離器件還是光電耦合器與數(shù)字隔離器。

光電耦合器：光電耦合器也叫光電隔離器，簡稱光耦，由發(fā)光源和受光器兩部分組成，組裝在同一個封閉的空間內(nèi)。

數(shù)字隔離器：近些年發(fā)展起來的數(shù)字隔離器基于CMOS工藝，可為電子系統(tǒng)中數(shù)字和模擬信號的傳遞提供很好的電阻隔離特性。

作為專門的電氣隔離器件，光耦和數(shù)字隔離器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域的電氣和電子系統(tǒng)設(shè)計中。本文將主要講述這兩類器件的優(yōu)缺點及其應(yīng)用方案。

圖一：光耦合器基本原理(來源：Wikipedia)

光耦隔離的優(yōu)點和缺點

光耦是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的隔離器件，它以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。由于光耦的體積小、壽命長、無觸點，具備抗干擾能力強、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號等優(yōu)點，在電子電路設(shè)計上得到了廣泛應(yīng)用。光耦目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一，包括晶體管耦合器、高速集成電路輸出耦合器、三端雙向可控硅耦合器以及光控繼電器等，廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大及固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。

速度和功耗是設(shè)計工程師最為看重的光耦參數(shù)指標(biāo)。不同的應(yīng)用對光耦的速度要求也有所不同，例如在通信應(yīng)用中，DeviceNet規(guī)定了相對較低的數(shù)據(jù)速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，傳播延遲要求小于40ns;CAN總線規(guī)定了125kBd低速和1MBd高速數(shù)據(jù)速率，但對傳播延時沒有嚴(yán)格的要求;Profibus發(fā)送數(shù)據(jù)則要求在12MBd范圍內(nèi)，并規(guī)定了隔離器、收發(fā)器和連接本身的PWD總延時。

在功耗方面，一些超低功耗光電耦合器產(chǎn)品采用獨特的集成電路設(shè)計和厚絕緣層材料，在不影響隔離和絕緣性能的條件下可大幅度降低功耗，適合RS485、CANBus和I2C等通信接口、微處理器系統(tǒng)接口，以及A/D和D/A等模數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用的數(shù)字隔離。

除了速度和功耗外，光耦產(chǎn)品也正在趨向于低電壓特性。由于越來越多的電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向更低的供電電壓，這也要求光耦具有低電壓特性以滿足系統(tǒng)的需求。此外，隨著系統(tǒng)集成度不斷提高，工作環(huán)境日趨嚴(yán)格，光耦產(chǎn)品的體積、工作溫度也開始受到前所未有的挑戰(zhàn)。近二三十年來，容耦、磁耦、阻耦、CMOS數(shù)字、SiO2等新型隔離器層出不窮，給光耦帶來了很大的沖擊，有逐漸被替代的危險。

國外和國內(nèi)光耦廠商

經(jīng)過近50年的發(fā)展，全球光耦產(chǎn)業(yè)格局已趨于穩(wěn)固。日美系品牌以高階光耦稱霸市場，臺系品牌壟斷中低端光耦一半以上的產(chǎn)能，而國產(chǎn)光耦品牌則憑借2019年“國產(chǎn)替換”的風(fēng)口，也逐漸走到臺前。在國內(nèi)市場，銷售和利潤占比最高的是日美系光耦，其中代表廠家有：AVAGO(安華高)、FAIRCHILD(仙童)、VISHAY(威世)、ISOCOM(安數(shù)光)、OSRAM Opto(歐司朗)、CLARE(克萊爾)、IXYS(艾賽斯)、TOSHIBA(東芝)、RENESAS(瑞薩)、NEC(日電)、PANASONIC(松下)、SHARP(夏普)、OMRON(歐姆龍)、KODENSHI(可天士)等。

而光耦出貨量最大的是臺系廠商，基本壟斷了低階市場50%～60%的產(chǎn)能，代表企業(yè)有LITE-ON(光寶)、EVERLIGHT(億光)、CT MICRO (兆龍) 、COSMO (冠西) 、KINGBRIGHT(今臺)和BRIGHT(佰鴻)等。至于國產(chǎn)光耦品牌，ORIENT(奧倫德)、KENTO(匡通)、重慶光電技術(shù)研究所和YD(優(yōu)達(dá)光)等新秀企業(yè)正在崛起。

數(shù)字隔離的優(yōu)點和缺點

直至1990年代后期，光耦基本上是市場上唯一的解決方案。由于光耦合器使用來自LED的光通過隔離屏障傳輸數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，LED打開時為邏輯高電平 (Logic HIGH)，而關(guān)閉時為邏輯低電平(Logic LOW)，這意味著在傳輸?shù)倪^程中會持續(xù)產(chǎn)生功秏。然而，以CMOS為基礎(chǔ)的數(shù)字隔離器使用電感(磁性)或電容耦合來傳輸訊號，有較快速的傳輸響應(yīng)，可以利用編碼來表達(dá)邏輯高電平和邏輯低電平。因此數(shù)字隔離器能在長時間的高電平下減少功秏，同時能夠處理復(fù)雜的雙向接口，如485和I2C。

采用數(shù)字隔離器替代光耦具有如下好處：

提高數(shù)據(jù)速率和時序特性

集成多個隔離通道和其它功能，可縮小尺寸、降低成本

功耗比光耦節(jié)省高達(dá)90%

連接其它數(shù)字器件所需的外部元件最少

無需光耦所用的LED，提高可靠性

此外， 數(shù)字隔離器有較佳的共模瞬態(tài)抗擾度 (Common Mode Transient Immunity，CMTI)性能。CMTI對隔離效果非常重要，因為高擺率(高頻率)瞬變可能會破壞隔離柵之間的數(shù)據(jù)傳輸。CMTI通常以千微伏每微秒 (kV/us) 為單位進(jìn)行測量，指的是隔離器介于輸入和輸出之間拒絕噪聲的能力。高CMTI意味著較強的隔離能力，數(shù)字隔離器的CMTI可達(dá) 200kV/us ， 而光耦合器普遍較低。

數(shù)字隔離的優(yōu)點包括高速、長壽命、魯棒性、良好的時序規(guī)范和更低的功耗等。但是，數(shù)字隔離元件在很多中低端應(yīng)用中并不具有成本競爭力。此外，對于某些應(yīng)用而言，光耦已經(jīng)得到久經(jīng)考驗且十分可靠，數(shù)字隔離器要想替代光耦并非易事，設(shè)計人員不太愿意冒嘗試新技術(shù)的風(fēng)險。光學(xué)、磁性或電容隔離等不同隔離方案的選擇將取決于特定客戶的需求、具體細(xì)節(jié)和具體應(yīng)用。這些利弊并不會隨著時間的推移而發(fā)生實質(zhì)性變化。

國內(nèi)數(shù)字隔離器行業(yè)起步較晚，但是在市場需求推動、國產(chǎn)替代需求強烈等背景下，這個模擬細(xì)分市場也開始孕育出生力軍。總部位于上海青浦的川土微電子專注于射頻與隔離器芯片設(shè)計，產(chǎn)品包括射頻、隔離、接口系列，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電源能源、儀器儀表、通信網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。近日，該公司發(fā)布了最新的全系列集成隔離電源的隔離器芯片，并強調(diào)通過不斷的自主創(chuàng)新、技術(shù)突破、渠道融合取得企業(yè)的長足發(fā)展，開辟全新的局面。

近年來，雖然ADI始終占據(jù)著數(shù)字隔離市場的龍頭地位，但Silicon Labs和德州儀器也通過有效的業(yè)務(wù)擴(kuò)展達(dá)到了與ADI相近的水平，形成了三足鼎立的市場格局。NVE的業(yè)務(wù)增長雖然不如其他公司，不過仍十分活躍。目前，英特錫爾、美信、恩智浦、意法半導(dǎo)體、羅姆公司等公司也開始在市場上銷售數(shù)字隔離相關(guān)產(chǎn)品。

本土數(shù)字隔離廠商雖然起步較晚，但乘著“國產(chǎn)替代”的東風(fēng)，也開始迅速發(fā)展起來。產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)并具有一定市場影響力的國產(chǎn)數(shù)字隔離器廠商有：蘇州納芯微電子、上海榮湃，以及上海川土微電子。

川土微電子推出的全系列包括集成隔離電源的隔離器芯片系列(CA-IS306X、CA-IS309X、CA-IS36XX)、基于Pulse-Coding的超低功耗電容式數(shù)字隔離器系列(CS817x)、AISG接口芯片(CA-IF4023)、±30V總線保護(hù)±15V共模輸入的RS485收發(fā)器系列(CA-IF48XX、CS48XX)等。

國內(nèi)首款集成隔離電源的隔離器芯片系列

川土微電子副總經(jīng)理兼首席技術(shù)官惲廷華介紹，這是國內(nèi)首款集成隔離電源的隔離器芯片系列，作為公司今年力推的重磅新品，能夠在一顆芯片里同時完成信號隔離+電源隔離+RS-485/CAN收發(fā)器，具有SOP16-W, POD=10.3mm x 7.5mm x 2.5mm的小尺寸封裝，完全突破行業(yè)現(xiàn)有局限。在產(chǎn)品設(shè)計上，具有全集成微型片上變壓器、高達(dá)53%的轉(zhuǎn)換效率、高隔離耐壓5kVRMS等特點。該系列隔離器芯片通過內(nèi)部集成變壓器、高集成度的隔離電源解決方案，提升了隔離電源的耐壓等級、系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性，并降低了系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度。

其中的CA-IS36XX是增強隔離耐壓并集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的一款芯片，它可替代傳統(tǒng)用分立器件組建的隔離電源方案，并且新方案使得外形尺寸更小，能夠?qū)崿F(xiàn)完全隔離。CA-IS36XX所有器件都具有故障安全模式選項，如果輸入信號丟失，則以L為后綴的芯片默認(rèn)輸出為低電平，以H為后綴的芯片默認(rèn)輸出為高電平。典型應(yīng)用包括工業(yè)自動化、電機控制、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子、儀器儀表等。

CA-IS306X是一款隔離式控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)物理層收發(fā)器，同時內(nèi)部集成隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有限流、過壓和接地?fù)p耗保護(hù)(–40V至40V)以及熱關(guān)斷功能，可防止輸出短路，共模電壓范圍為–12V至12V。可廣泛應(yīng)用于CAN數(shù)據(jù)總線、工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、樓宇和溫室環(huán)境控制自動化、安防系統(tǒng)、運輸、醫(yī)療、電信等領(lǐng)域。

CA-IS309X是集成隔離電源的隔離式RS-485/RS-422收發(fā)器，具有高電磁抗擾度和低輻射特性，可有效防止數(shù)據(jù)總線或其他電路上的噪聲和浪涌進(jìn)入本地接地端，從而干擾或損壞敏感電路。高CMTI能力可以保證數(shù)字信號的正確傳輸，可廣泛應(yīng)用于隔離RS-485/RS-422通信、光伏逆變器、電機驅(qū)動器等領(lǐng)域。

目前該系列產(chǎn)品已正式對外發(fā)售。

基于專利技術(shù)Pulse-Coding的超低功耗電容式數(shù)字隔離器系列

CS817X是川土微電子基于獲得授權(quán)專利的pulse-coding超低功耗容隔式數(shù)字隔離器技術(shù)打造的第三代數(shù)字隔離器系列。pulse-coding是川土微電子首創(chuàng)的容隔調(diào)整解調(diào)技術(shù)，已經(jīng)獲得專利授權(quán)，典型應(yīng)用包括鋰電池保護(hù)、白色家電、工業(yè)自動化、電機控制、隔離開關(guān)電源等。

該系列數(shù)字隔離芯片可應(yīng)用在通信、數(shù)字電源、工控、光伏、新能源汽車等系統(tǒng)中，特別適合于對隔離耐壓要求較高、需要加強絕緣的各類嚴(yán)苛應(yīng)用環(huán)境。

審核編輯：湯梓紅