現(xiàn)代電子系統(tǒng)在工業(yè)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(yīng)用中的設(shè)計面臨著一系列獨特的挑戰(zhàn)，為電子控制設(shè)備和操作員提供高壓安全、在具有相對較高的地電位差的子系統(tǒng)之間進(jìn)行有效通信、防止電噪聲破壞敏感信號

這些挑戰(zhàn)可以通過在電路設(shè)計中引入電流隔離器來解決。電流隔離器是將電氣數(shù)據(jù)或控制信號耦合到絕緣柵上而不產(chǎn)生任何電流的器件，從而能夠在阻擋噪聲的同時傳輸信號。絕緣屏障還可以保護(hù)設(shè)備和操作人員免受高壓的影響。

光耦合隔離器

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“optos”。optos的第一批專利是在1960年代頒發(fā)的。最早的形式包括初級側(cè)的微型白熾發(fā)光燈泡，透明（光學(xué)透明）塑料，用作絕緣或介電層以及光路，以及次級側(cè)的光敏電阻，其電阻由落在其上的光量調(diào)制。后來的開發(fā)引入了更復(fù)雜的光耦合器件，使系統(tǒng)設(shè)計人員的工作更容易一些。

它們基本上都是初級側(cè)的某種發(fā)光結(jié)構(gòu)（微型燈泡被基于半導(dǎo)體的發(fā)光二極管或LED取代），再加上各種形式的光敏器件，如光敏電阻器、光電晶體管、光電二極管或三端雙向可控硅，使該器件適用于一系列直流和交流應(yīng)用。在1990年代后期開發(fā)基于CMOS的數(shù)字隔離器之前，Optos基本上是唯一可用的解決方案，使用電感（磁）或電容耦合來傳輸信號。圖1突出顯示了光耦合器和數(shù)字隔離器之間的技術(shù)差異。

圖1光電與電容耦合CMOS隔離器的基本工作原理

圖2顯示了光電和數(shù)字隔離器的X射線圖像示例，以幫助可視化這些器件的物理結(jié)構(gòu)。

圖2光耦合器組件（左）和數(shù)字隔離器組件（右）的X射線圖像

光的一個突出特點是老化問題。LED的量子效率，定義為輸入電流的每個電子的總光子，在恒定電流下隨時間而降低。這主要是由于PN結(jié)的電應(yīng)力和熱應(yīng)力。這對光耦合器的長期穩(wěn)定性和工作性有影響，特別是在高溫工作時。設(shè)計師可以通過做幾件事來補償老化：

1.縮短實際使用壽命

2.降低工作二極管電流和環(huán)境溫度

3.避免峰值瞬態(tài)電流

當(dāng)然，這些操作對用例施加了限制，因為隔離器在本質(zhì)上存在此類條件的系統(tǒng)中最有用。數(shù)字隔離器沒有這樣的物理限制。由于光電器件基本上通過切換PN結(jié)二極管來工作，因此它們的開關(guān)速率相對較慢。因此，optos只能實現(xiàn)具有較大傳播延遲和偏斜的較低數(shù)據(jù)速率。

行業(yè)趨勢和CMOS數(shù)字隔離器

在帶寬和功耗日益高的要求下，基于CMOS的新型數(shù)字隔離器提供了理想的解決方案。隔離最常見的應(yīng)用是在工業(yè)市場——工廠自動化、過程控制、可編程邏輯控制器（PLC）或過程自動化控制器（PAC）、電機(jī)控制逆變器和不間斷電源（UPS）等設(shè)備中。工業(yè)自動化是隔離器的最大市場，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計人員重視CMOS隔離器帶來的高溫操作、出色的器件間匹配、低偏斜和高抗擾度。其他重度應(yīng)用包括電信基站和服務(wù)器中使用的隔離電源，這些服務(wù)器為我們?nèi)找婊ヂ?lián)的世界（物聯(lián)網(wǎng)）背后的基礎(chǔ)設(shè)施供電。

數(shù)字技術(shù)的早期采用者是隔離電源制造商。這些電源主要用于服務(wù)器和電信基站。對于這個市場，最關(guān)鍵的參數(shù)是功率密度，口頭禪是W/mm3.它有助于全球清潔環(huán)境的綠色倡議也要求提高效率以減少能源浪費。事實證明，擁有更高效率的系統(tǒng)也意味著更少的熱損失，這導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸的進(jìn)一步減小，因為不再需要占用空間的散熱器。與optos相比，CMOS數(shù)字隔離器技術(shù)的最大影響是這些新型隔離器器件的時序特性。

由于這些不是基于切換LED的PN結(jié)來實現(xiàn)信號傳輸，因此開關(guān)速率提高了一個數(shù)量級。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)CMOS硅技術(shù)使用的更小幾何尺寸和更可重復(fù)和更穩(wěn)定的制造工藝所帶來的優(yōu)勢，傳播延遲、脈沖寬度失真或偏斜、器件間匹配和共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）等時序參數(shù)得到了極大的改善。在隔離行業(yè)中，CMTI基本上是指共模噪聲抑制能力，以電壓壓擺率kV/μs來衡量。optos的局限性是由于涉及化合物半導(dǎo)體技術(shù)的制造過程，該技術(shù)更適合光學(xué)操作，而不是快速準(zhǔn)確的設(shè)備。數(shù)字隔離器的固有優(yōu)勢幫助電源OEM收緊了電源轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路時序，從而提高效率。

數(shù)字隔離器的另一個快速新興市場是汽車。雖然傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機(jī)（ICE）的汽車幾乎沒有使用任何隔離器，但隨著電動汽車的引入，這種情況發(fā)生了變化。目前，各種形式的混合動力電動汽車（HEV）和電動汽車的高壓電池范圍從200V到400V，并且計劃在未來使用更高的電壓，以實現(xiàn)更高的功率和/或容量，以最大化每次充電的距離。這種高壓電池需要使用隔離器，以確保車輛內(nèi)不同電壓域之間的安全和信號傳輸。幾乎所有主要的汽車制造商都有即將推出的EV/HEV計劃。汽車行業(yè)也被證明是數(shù)字隔離器技術(shù)的早期采用者，因為它具有出色的高溫操作性、穩(wěn)定性和抗噪性。電池管理系統(tǒng)（BMS）和充電器等終端應(yīng)用正在推動EV/HEV市場對隔離器的需求。

Optos仍然占據(jù)整個隔離市場的大部分份額，即使在高性能領(lǐng)域也是如此（大致特征為數(shù)據(jù)速率至少為1Mbps的隔離器產(chǎn)品和柵極驅(qū)動器等專用產(chǎn)品）。盡管optos存在內(nèi)在性能缺陷，但它們在市場上仍然具有一些優(yōu)勢。最大的優(yōu)勢是，幾十年來，optos一直是事實上的解決方案;設(shè)計人員對使用Optos感到滿意，并且覺得它們更安全——畢竟，隔離器是安全設(shè)備。

數(shù)字隔離器與最早的實現(xiàn)相比已經(jīng)走了很長一段路，后者通常只提供基本的絕緣水平（大致相當(dāng)于2.5kV隔離額定值）。如今，數(shù)字隔離器有增強(qiáng)型和雙絕緣額定值（5kV或更高），在提供安全性方面被認(rèn)為與optos相當(dāng)。optos的另一個優(yōu)點是它們本質(zhì)上不受外部電磁（EM）場的影響，并且輻射的EM噪聲也更少。例如，在工廠車間存在重型感應(yīng)電機(jī)等高電磁場發(fā)電機(jī)的工業(yè)市場中，這是一個優(yōu)勢，并且電子系統(tǒng)需要容忍此類外部磁場。與基于磁性的數(shù)字隔離器相比，基于電容的數(shù)字隔離器還高度不受外部EM場的影響，并且輻射水平較低。不過，一般而言，數(shù)字隔離器在定時特性、使用壽命穩(wěn)定性、CMTI和高溫工作方面具有優(yōu)越性。數(shù)字隔離器產(chǎn)品的增長率大約是整個隔離市場的兩倍，這表明最終用戶越來越有信心將其設(shè)計從傳統(tǒng)光電切換到數(shù)字隔離器。




審核編輯：劉清