光耦隔離就是采用光耦合器進(jìn)行隔離。光耦合器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起。光耦隔離電路使被隔離的兩部分電路之間沒(méi)有電的直接連接，主要是防止因有電的連接而引起的干擾，特別是低壓的控制電路與外部高壓電路之間。
數(shù)字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。
多年來(lái)，工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)安全隔離的手段有限， 唯一合理的選擇是光耦合器。如今，數(shù)字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優(yōu)勢(shì)。了解數(shù)字隔離器三個(gè)關(guān)鍵要素的特點(diǎn)及其相互關(guān)系，對(duì)于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個(gè)要素是：絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。
光耦隔離器
光耦合組件是最早的隔離器，也稱為光耦隔離器或光耦合器，簡(jiǎn)稱「光耦」（optos）。第一代光耦于1960年代取得專利。早期的型式包括微型白熾燈泡一次側(cè)上的透明（光學(xué)透明）塑料，作為絕緣或介電層和光路，以及次級(jí)側(cè)上透過(guò)光照進(jìn)行調(diào)節(jié)的光敏電阻器。之后開(kāi)發(fā)出更精良的光耦合組件，以便利系統(tǒng)設(shè)計(jì)者工作。
這些基本上都是一次側(cè)上某種發(fā)光結(jié)構(gòu)（微型燈泡被以半導(dǎo)體為材料的發(fā)光二極管或LED取代），再加上多樣類型的感光組件，如光敏電阻器、光電晶體管、光電二極管或三端雙向閘流器（TRIAC），使裝置適用于直流和交流的各種應(yīng)用。
直至1990年代后期以CMOS為基礎(chǔ)的數(shù)字隔離器發(fā)展出之前，光耦基本上是唯一的解決方案。數(shù)字隔離器使用電感（磁性）或電容耦合來(lái)傳輸訊號(hào)，圖1強(qiáng)調(diào)光耦合器和數(shù)字隔離器之間的技術(shù)差異。圖2為光耦合器和數(shù)字隔離器的X光圖，具體展現(xiàn)這些組件的物理結(jié)構(gòu)。
圖2：光耦合器組件（左）和數(shù)字隔離器組件（右）的X光圖
光耦的老化特性相當(dāng)明顯，在恒定電流下LED的量子效率（定義為總電子量與入射光子的比值）隨著時(shí)間衰減，這是因?yàn)镻N接面的電氣和溫度應(yīng)力漸增的原因。這將影響光耦合器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和操作，特別是在高溫操作環(huán)境更加明顯。設(shè)計(jì)者可以藉由一些方法推遲老化：
縮短實(shí)際使用壽命；
調(diào)降二極管的電流和環(huán)境溫度；
避免瞬間極大電流。
當(dāng)然，上述這些操作方法限制了使用案例，即使隔離器在本體存在這種條件的系統(tǒng)中最為有用。數(shù)字隔離器則沒(méi)有這些物理限制。光耦透過(guò)PN接面的二極管產(chǎn)生作用，所以轉(zhuǎn)換速率相對(duì)較慢。因此，光耦的數(shù)據(jù)傳輸率較慢，傳輸延遲和偏移也更加明顯。
產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)和CMOS數(shù)字隔離器
在帶寬需求和耗電量日漸成長(zhǎng)的情況下，以CMOS為基礎(chǔ)的數(shù)字隔離器提供一個(gè)理想的解決方案。隔離應(yīng)用在工業(yè)市場(chǎng)中最為常見(jiàn)，例如工廠自動(dòng)化、制程控制、可程序化邏輯控制器（PLC）或可編程自動(dòng)化控制器（PAC）、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制和不間斷電源（UPS）等設(shè)備。工業(yè)自動(dòng)化是隔離器的最大市場(chǎng)，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們非常重視CMOS隔離器所帶來(lái)的好處，包括高溫環(huán)境操作、優(yōu)異的組件匹配性、減少偏移和高耐噪性。
其他重要應(yīng)用包括用于電信基地臺(tái)和服務(wù)器的隔離電源，這些都為日新月異的因特網(wǎng)世界提供基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)力。隔離電源制造商是數(shù)字技術(shù)的早期采用者，這些電源主要應(yīng)用于服務(wù)器和電信基地臺(tái)。功率密度是市場(chǎng)上的關(guān)鍵參數(shù)，或稱為W/mm3，有助于全球綠色組織倡導(dǎo)環(huán)境保護(hù)，提升能源使用效率并減少耗損。事實(shí)證明，高效能系統(tǒng)意味著更少的熱能損失，因?yàn)椴恍枰^續(xù)使用大型的散熱片占用空間，所以能夠進(jìn)一步縮小系統(tǒng)尺寸。相較于光耦，CMOS數(shù)字隔離器技術(shù)的最大影響在于這些新型隔離組件的時(shí)序特性。
數(shù)字隔離器和LED以轉(zhuǎn)換PN接面為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行訊號(hào)傳輸不同，轉(zhuǎn)換率因此大幅提升。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)硅晶CMOS技術(shù)采用較小幾何尺寸、高重復(fù)性和穩(wěn)定制程所提供的優(yōu)勢(shì)，時(shí)序參數(shù)例如傳輸延遲、脈沖寬度失真或偏移、組件匹配性和共模瞬變抗噪聲能力（CMTI）等，都有極大的改善。在隔離器產(chǎn)業(yè)中，CMTI基本上代表共模噪聲耐受能力，以電壓回轉(zhuǎn)率kV/？s做為標(biāo)準(zhǔn)。光耦受限于采用化合物半導(dǎo)體的制程技術(shù)，較適用于光學(xué)應(yīng)用，不適合做成其他快速和高精確性的組件。數(shù)字隔離器的既有優(yōu)勢(shì)在于協(xié)助電源OEM廠商更有效控制功率轉(zhuǎn)換器的回路時(shí)序，以進(jìn)一步提高效率。
數(shù)字隔離器也在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中開(kāi)創(chuàng)了新興市場(chǎng)，盡管傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)（ICE）驅(qū)動(dòng)汽車(chē)幾乎不采用隔離器，但自從EV問(wèn)世以來(lái)，這些應(yīng)用逐漸改變。目前EV或各式各樣的混合動(dòng)力車(chē)輛（HEV）通常配置200V~400V高電壓電池，未來(lái)的產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)采用更高電壓的電池，藉此達(dá)到更高的功率和/或電池容量以及續(xù)航力。這種高電壓電池必須使用隔離器，確保汽車(chē)內(nèi)不同電壓場(chǎng)域的安全性和訊號(hào)傳輸。許多汽車(chē)制造大廠競(jìng)相投入EV/HEV布局，為了優(yōu)化高溫操作、穩(wěn)定性和抗噪性，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)成為數(shù)字隔離器技術(shù)的采用先驅(qū)。EV/HEV的終端應(yīng)用如電池管理系統(tǒng)（BMS）和充電器，加速推動(dòng)市場(chǎng)上對(duì)隔離器的需求。
光耦占據(jù)了隔離器市場(chǎng)的絕大部分，甚至在高性能市場(chǎng)（數(shù)據(jù)速率至少為1Mbps的隔離器產(chǎn)品和閘極驅(qū)動(dòng)器等特定產(chǎn)品）也是如此。盡管光耦受限于固有的性能缺陷，在市場(chǎng)上仍然具備一些優(yōu)勢(shì)。最大的優(yōu)勢(shì)，為幾十年來(lái)光耦一直是實(shí)務(wù)上的解決方案，設(shè)計(jì)人員對(duì)使用光耦感到放心和更加安全，畢竟隔離器屬于安全組件。
相較早期只能提供基本絕緣（約2.5kV絕緣等級(jí)）的普通產(chǎn)品，數(shù)字隔離器技術(shù)不斷成熟。如今，數(shù)字隔離器可提供強(qiáng)化和雙倍絕緣等級(jí)（5kV或更高），而能和光耦的安全性相提并論。光耦的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們本質(zhì)上不受外部電磁（EM）場(chǎng)影響和極低的輻射電磁噪聲，這對(duì)充滿高電磁設(shè)備的工業(yè)市場(chǎng)特別重要，例如工廠廠房的重載感應(yīng)馬達(dá)和電子系統(tǒng)均會(huì)受到這些外部電磁的干擾。
相較于電磁耦合數(shù)字隔離器，電容耦合數(shù)字隔離器對(duì)外部電磁場(chǎng)具備高度隔離性和低輻射性。一般而言，數(shù)字隔離器在時(shí)序特性、壽命穩(wěn)定性、CMTI和高溫操作方面具備優(yōu)勢(shì)。表1簡(jiǎn)要說(shuō)明了光耦和CMOS數(shù)字隔離器的優(yōu)缺點(diǎn)。數(shù)字隔離器產(chǎn)品的成長(zhǎng)率大約是整體隔離市場(chǎng)的兩倍，顯示終端用戶對(duì)于將傳統(tǒng)光耦轉(zhuǎn)換為數(shù)字隔離器充滿信心。
表1：光耦合器和數(shù)字隔離器比較
兼容性和安全標(biāo)準(zhǔn)
隔離安全標(biāo)準(zhǔn)扮演著相當(dāng)重要的角色，可確保終端用戶選用的隔離解決方案通過(guò)全球標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和檢驗(yàn)，并具備良好效能。在這方面，數(shù)字隔離器制造商和光耦制造商認(rèn)為終端用戶才是最終的受益者，因此合作定義出全新的兼容性標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)并非單純地依循舊法，而是針對(duì)光耦合器和CMOS數(shù)字隔離器之間，制造和設(shè)計(jì)的差異定義出的具體標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)新的VDE 0884-11標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)表生效。此外，即將發(fā)布的IEC標(biāo)準(zhǔn)版本──IEC 60747-17也將為客戶舒解以往的擔(dān)心。
結(jié)論
CMOS基礎(chǔ)的數(shù)字隔離器充分利用了最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者優(yōu)于傳統(tǒng)光耦組件的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。正如同所見(jiàn)，這些優(yōu)勢(shì)逐漸改變游戲規(guī)則，并有助于塑造電源供應(yīng)、綠色能源和汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并持續(xù)推動(dòng)其他創(chuàng)新市場(chǎng)。