光耦隔離就是采用光耦合器進行隔離。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法比擬的巨大優(yōu)勢。
多年來,工業(yè)、醫(yī)療和其他隔離系統(tǒng)的設(shè)計人員實現(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。了解數(shù)字隔離器三個關(guān)鍵要素的特點及其相互關(guān)系,對于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要。這三個要素是:絕緣材料、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法。
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,簡稱「光耦」(optos)。
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)隨著時間衰減,這是因為PN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)計者可以藉由一些方法推遲老化:
縮短實際使用壽命;
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)字隔離器則沒有這些物理限制。光耦透過PN接面的二極管產(chǎn)生作用,所以轉(zhuǎn)換速率相對較慢。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。
在帶寬需求和耗電量日漸成長的情況下,以CMOS為基礎(chǔ)的數(shù)字隔離器提供一個理想的解決方案。隔離應(yīng)用在工業(yè)市場中最為常見,例如工廠自動化、制程控制、可程序化邏輯控制器(PLC)或可編程自動化控制器(PAC)、馬達驅(qū)動控制和不間斷電源(UPS)等設(shè)備。工業(yè)自動化是隔離器的最大市場,工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計者們非常重視CMOS隔離器所帶來的好處,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。功率密度是市場上的關(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,提升能源使用效率并減少耗損。事實證明,高效能系統(tǒng)意味著更少的熱能損失,因為不需要繼續(xù)使用大型的散熱片占用空間,所以能夠進一步縮小系統(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序特性。
數(shù)字隔離器和LED以轉(zhuǎn)換PN接面為基礎(chǔ)來進行訊號傳輸不同,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,時序參數(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)換器的回路時序,以進一步提高效率。
數(shù)字隔離器也在汽車產(chǎn)業(yè)中開創(chuàng)了新興市場,盡管傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(ICE)驅(qū)動汽車幾乎不采用隔離器,但自從EV問世以來,這些應(yīng)用逐漸改變。目前EV或各式各樣的混合動力車輛(HEV)通常配置200V~400V高電壓電池,未來的產(chǎn)業(yè)趨勢采用更高電壓的電池,藉此達到更高的功率和/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,確保汽車內(nèi)不同電壓場域的安全性和訊號傳輸。許多汽車制造大廠競相投入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,加速推動市場上對隔離器的需求。
光耦占據(jù)了隔離器市場的絕大部分,甚至在高性能市場(數(shù)據(jù)速率至少為1Mbps的隔離器產(chǎn)品和閘極驅(qū)動器等特定產(chǎn)品)也是如此。盡管光耦受限于固有的性能缺陷,在市場上仍然具備一些優(yōu)勢。最大的優(yōu)勢,為幾十年來光耦一直是實務(wù)上的解決方案,設(shè)計人員對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)的普通產(chǎn)品,數(shù)字隔離器技術(shù)不斷成熟。如今,數(shù)字隔離器可提供強化和雙倍絕緣等級(5kV或更高),而能和光耦的安全性相提并論。光耦的另一個優(yōu)點是它們本質(zhì)上不受外部電磁(EM)場影響和極低的輻射電磁噪聲,這對充滿高電磁設(shè)備的工業(yè)市場特別重要,例如工廠廠房的重載感應(yīng)馬達和電子系統(tǒng)均會受到這些外部電磁的干擾。-----也就是說抗電磁場干擾方面光耦 數(shù)字隔離器好!
相較于電磁耦合數(shù)字隔離器,電容耦合數(shù)字隔離器對外部電磁場具備高度隔離性和低輻射性。一般而言,數(shù)字隔離器在時序特性、壽命穩(wěn)定性、CMTI和高溫操作方面具備優(yōu)勢。表1簡要說明了光耦和CMOS數(shù)字隔離器的優(yōu)缺點。數(shù)字隔離器產(chǎn)品的成長率大約是整體隔離市場的兩倍,顯示終端用戶對于將傳統(tǒng)光耦轉(zhuǎn)換為數(shù)字隔離器充滿信心。
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^程中同時會產(chǎn)生功秏。
數(shù)字隔離器有較快速的傳輸響應(yīng),可以利用編碼來表達邏輯高電平和邏輯低電平,以下圖為例:
兩脈沖表示為信號上升沿(Rising Edge)
一脈沖表示為信號下降沿(Falling Edge)
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USB和I2C。
另外, 數(shù)字隔離器有較佳“共模瞬態(tài)抗擾度 (Common Mode Transient Immunity, CMTI)”。
CMTI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意味著強大的隔離通道。
數(shù)字隔離器 的CMTI可達 200kV/us , 反之光耦合器普遍較低。
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全球標(biāo)準(zhǔn)測試和檢驗,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,而是針對光耦合器和CMOS數(shù)字隔離器之間,制造和設(shè)計的差異定義出的具體標(biāo)準(zhǔn)。這項新的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。
耦的主要優(yōu)點是信號單向傳輸,輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離,輸出信號對輸入端無影響,抗干擾能力強,無觸點,PN結(jié)因電流或溫度壽命不如數(shù)字隔離器,這種情形下,速度與功耗(缺點),帶寬時序不如數(shù)字隔離器;數(shù)字隔離器用編碼來表達邏輯高電平和邏輯低電平,抗高溫噪音好如汽車產(chǎn)業(yè),CMTI遠優(yōu)于光耦。光耦不受外部電磁場干擾,數(shù)字隔離器對外部電磁場具有高度隔離性,也就是說在電磁干擾上不如光耦。隔離器共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是指隔離器抑制快速共模瞬變的能力,通常測量單位是 kV/μs。