【技术干货】光耦和数字隔离器比一比

图2 光耦合器构成（左）和数字隔离器构成（右）的X射线图像


光电器件的一个突出特性是老化问题。LED的量子效率（定义为输入电流的每个电子的总光子数）在恒定电流下随时间而减小。这主要是由于PN结的电应力和热应力。这对于光耦合器的长期稳定性和操作有影响，特别是在高温操作条件下。设计人员可以通过几个补救措施来减缓老化的影响：

● 降低实际使用寿命
● 降低工作二极管电流和环境温度
● 避免峰值瞬态电流

当然，这些操作限制了使用场景，这是因为隔离器本质上在存在这些条件的系统中最为有用。数字隔离器没有这些物理限制。由于光耦基本上通过切换PN结二极管起作用，它们的开关速率相对较慢。因此，光耦只能运行在较低的数据速率下，并且有较大的传播延迟和偏移。

行业趋势和CMOS数字隔离器

在日益增长的带宽和耗电量的现实世界中，新的基于CMOS的数字隔离器提供了理想的解决方案。最常见的隔离应用是在工业市场，例如工厂自动化、工艺控制、可编程逻辑控制器（PLC）或工艺自动化控制器（PAC）、电机控制逆变器和不间断电源（UPS）等设备。工业自动化是隔离器的最大市场，工业系统设计人员非常重视CMOS隔离器带来的高温操作、卓越的器件一致性、低偏移和高抗噪性。

其他重要应用包括用于电信基站和服务器的隔离电源，它们为我们日益发展的互联世界——物联网背后的基础设施提供动力。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，或称为W/mm3。它有助于全球倡议绿色的组织去建立更清洁的环境，同时也要求更高的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量损失，这使得系统尺寸能够进一步缩小，因为不再需要占用较大空间的散热器。与光耦相比，CMOS数字隔离器技术的最大影响在于这些新型隔离器件的时序特性。

由于数字隔离器不是基于切换LED的PN结以实现信号传输，因此开关速率提高了一个数量级。结合标准CMOS硅技术所采用的较小几何形状和更高可重复性和稳定性的制造工艺所提供的优势，时序参数例如传输延迟、脉冲宽度失真或偏移、器件一致性和共模瞬变抗扰度（CMti）等得到了极大的改善。在隔离行业中，CMTI基本上是指共模噪声抑制能力，以电压转换速率kV/µs来衡量。光耦的局限性是由于涉及化合物半导体技术的制造工艺，它更适合光学操作而不是去实现快速和高精确性器件。数字隔离器的固有优势帮助电源OEM加强功率转换器控制环路时序，从而提高了效率。

另一个快速兴起的数字隔离器市场是汽车市场。尽管传统的基于内燃机（ICE）的汽车几乎不使用任何隔离器，但自从引入电动汽车（EV）以来，这已经发生了变化。电动汽车或各种形式的混合动力电动汽车（HEV）现在具有200V-400V的高压电池，并且未来计划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后行驶的距离。这种高压电池需要使用隔离器来实现车辆内不同电压域的安全和信号传输。事实上，所有主要汽车制造商都有即将推出EV/HEV的发布计划。由于其高温操作、稳定性和抗噪性的要求，汽车行业也成为数字隔离器技术的早期采用者。终端应用如电池管理系统（BMS）和充电器正在推动EV/HEV市场对隔离器的需求。

光耦仍然享有整个隔离市场的大部分份额，甚至在高性能市场（大致特征是数据速率至少为1Mbps的隔离器产品和栅极驱动器等专用产品）。尽管光耦存在固有的性能缺陷，但它们仍然在市场上具有一些优势。最大的优势是光耦几十年来一直是事实上的解决方案，设计人员对使用光耦感觉很放心并且觉得它们更安全，毕竟隔离器是安全器件。

数字隔离器自从最早期的使用来看已经取得了长足进步，当时典型的产品仅仅提供基本的绝缘水平（大致相当于2.5kV隔离等级）。如今，数字隔离器可提供增强型和双倍绝缘等级（5kV或更高），并且被认为与提供同等安全性的光耦相当。光耦的另一个优点是它们本质上不受外部电磁（EM）场的影响，并且辐射电磁噪声较少。在工业市场这尤为重要，这些市场中通常存在产生高电磁场的设备，例如工厂车间的重型感应电动机，电子系统需要容忍这种外部电磁场。与基于磁性的数字隔离器相比，基于电容的数字隔离器对外部电磁场也具有高度免疫性并且辐射水平较低。一般而言，数字隔离器在时序特性、寿命稳定性、CMTI和高温操作方面具有优势。表1简要说明了光耦和CMOS数字隔离器的优缺点。

数字隔离器产品的增长率大约是整个隔离市场的两倍，这表明最终用户对将设计从传统光耦转换为数字隔离器的信心日益增强。