光隔离器应用实例（光隔离器的性能指标）

现代电子系统在工业自动化、电信基站电源和电动汽车(EV) 车载充电器(OBC) 等多种应用中的设计面临着一系列独特的挑战，即为电子控制设备和设备提供高压安全性。操作人员可以在具有相对较高接地电位差的子系统之间进行有效通信，防止电噪声破坏敏感信号

这些挑战可以通过在电路设计中引入电流隔离器来解决。电流隔离器是将电气数据或控制信号耦合到绝缘屏障而不产生任何电流的设备，从而允许它们在传输信号的同时阻挡噪声。绝缘屏障还可以保护设备和操作员免受高电压的影响。

光耦隔离器

最早的隔离器是光耦合器件，又称光隔离器或光耦合器，简称“opto”。第一个光学专利于20 世纪60 年代颁发。最早的形式包括初级侧的微小白炽灯泡、用作绝缘或介电层和光路的透明（光学透明）塑料，以及次级侧的光敏电阻，其电阻通过光量来调节。光落在它上面。后来的发展引入了更复杂的光耦合器设备，使系统设计人员的工作变得更加容易。

它们基本上是初级侧的某种发光结构（由半导体发光二极管或LED取代的微型灯泡），加上各种形式的光敏器件，如光敏电阻、光电晶体管、光电二极管或三端双向晶闸管，使得该器件适用于一系列直流和交流应用。在20 世纪90 年代末开发基于CMOS 的数字隔离器之前，Optos 本质上是唯一可用的解决方案，使用电感（磁）或电容耦合来传输信号。图1 突出显示了光耦合器和数字隔离器之间的技术差异。

图1 光电及电容耦合CMOS隔离器基本工作原理

图2 显示了光电和数字隔离器的X 射线图像示例，有助于可视化这些设备的物理结构。

图2 光耦合器组件（左）和数字隔离器组件（右）的X 射线图像

光的一个突出特点是老化问题。 LED 的量子效率（定义为每个电子输入电流的总光子数）在恒定电流下随着时间的推移而降低。这主要是由于PN结的电应力和热应力造成的。这对光耦合器的长期稳定性和运行有影响，特别是在高温下运行时。设计师可以做几件事来弥补老化：

1、缩短实际使用寿命

2.降低二极管的工作电流和环境温度

3. 避免峰值瞬态电流

当然，这些操作对用例施加了限制，因为隔离器在固有存在此类条件的系统中最有用。数字隔离器没有这样的物理限制。由于光电器件基本上是通过开关PN结二极管来工作的，因此其开关速度相对较慢。因此，光器件只能以较大的传播延迟和偏斜来实现较低的数据速率。

行业趋势和CMOS 数字隔离器

在带宽和功耗日益提高的要求下，基于CMOS 的新型数字隔离器提供了理想的解决方案。隔离最常见的应用是工业市场—— 工厂自动化、过程控制、可编程逻辑控制器(PLC) 或过程自动化控制器(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，工业系统设计人员看重CMOS 隔离器带来的高温运行、出色的器件间匹配、低偏斜和高抗噪性。其他重型应用包括电信基站和服务器中使用的隔离电源，这些电源为我们日益互联的世界（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，口头禅是W/mm3。它为实现更清洁环境的全球绿色倡议做出了贡献，并且还需要提高效率以减少能源浪费。事实证明，拥有更高效的系统还意味着更少的热损失，从而进一步缩小系统尺寸，因为不再需要占用空间的散热器。与光电器件相比，CMOS 数字隔离器技术的最大影响是这些新型隔离器器件的时序特性。

由于这些并非基于开关LED 的PN 结来进行信号传输，因此开关速率提高了一个数量级。传播延迟、脉宽失真或偏斜、器件间匹配和共模瞬态抗扰度(CMTI) 以及标准CMOS 硅技术中使用的更小几何尺寸和更可重复且更稳定的制造工艺的优点）以及其他时序参数得到了很大的改善。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/s来衡量。光学器件的局限性是由于涉及化合物半导体技术的制造工艺，该技术更适合光学操作而不是快速准确的器件。数字隔离器的固有优势有助于电源OEM 收紧电源转换器控制环路时序，从而提高效率。

数字隔离器的另一个快速新兴市场是汽车。虽然传统的内燃机(ICE) 车辆几乎不使用任何隔离器，但随着电动汽车的引入，这种情况发生了变化。目前，用于各种形式的混合动力电动汽车(HEV) 和EV 的高压电池范围为200V 至400V，并计划在未来使用更高的电压来实现更高的功率和/或容量，以最大限度地延长每次充电距离。这种高压电池需要使用隔离器来确保车辆内不同电压域之间的安全和信号传输。几乎所有主要汽车制造商都有即将推出的电动汽车/混合动力汽车计划。由于其出色的高温运行、稳定性和抗噪性，汽车行业也被证明是数字隔离器技术的早期采用者。电池管理系统(BMS) 和充电器等终端应用正在推动EV/HEV 市场对隔离器的需求。

Optos 仍然占据着整个隔离市场的最大份额，即使是在高性能领域（大致特征是数据速率至少为1Mbps 的隔离器产品以及栅极驱动器等专用产品）。尽管光电器件存在固有的性能缺陷，但它们在市场上仍然具有一些优势。最大的优势在于，几十年来，光电器件一直是事实上的解决方案。设计人员对使用光器件感到满意，并感觉它们更安全—— 毕竟，隔离器是安全设备。

数字隔离器与最早的实施相比已经取得了长足的进步，最早的实施通常仅提供基本级别的绝缘（大致相当于2.5kV 隔离等级）。如今，数字隔离器具有增强型和双重绝缘等级（5kV 或更高），在提供安全性方面被认为与光电隔离器相当。光电器件的另一个优点是它们基本上不受外部电磁(EM) 场的影响，并且辐射的电磁噪声较少。例如，这在工业市场中是一个优势，在工业市场中，工厂车间存在诸如重型感应电机之类的高电磁场发生器，并且电子系统需要承受这种外部磁场。基于电容器的数字隔离器还对外部电磁场具有高度免疫力，并且比基于磁性的数字隔离器具有更低的辐射水平。但一般来说，数字隔离器在时序特性、寿命稳定性、CMTI 和高温操作方面更胜一筹。数字隔离器产品的增长率大约是整个隔离市场的两倍，这表明最终用户越来越有信心将其设计从传统光电子器件转向数字隔离器。

审稿人：刘庆