基于技术性能的光隔离器和数字隔离器视图

在工业自动化、电信基站电源和电动汽车 (EV) 车载充电器 (OBC) 等各种应用中，现代电子系统的设计面临着一系列独特的挑战：

为电子控制设备和操作员提供高压安全保护具有相对较高地电位差的子系统之间的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。电流隔离器是在没有任何电流流过绝缘屏障的情况下耦合电气数据或控制信号的设备，从而使信号能够在阻挡噪声的同时传输。绝缘屏障还可以保护设备和操作人员免受高压影响。

光耦合隔离器早的隔离器是光耦合器件，也称为光隔离器或光耦合器，简称“opto”。批光电于 1960 年代发布。早的形式包括初级侧的微型白炽发光灯泡、用作绝缘或介电层以及光路的透明（光学透明）塑料，以及次级侧的光敏电阻，其阻值由落在其上的光量调制。后来的发展引入了更复杂的光耦合设备，使系统设计人员的工作变得更加轻松。

它们基本上都是初级侧的某种发光结构（微型灯泡被基于半导体的发光二极管或 LED 取代），再加上各种形式的光敏器件，例如光敏电阻，光电晶体管、光电二极管或三端双向可控硅开关元件，使该设备适用于一系列直流和交流应用。光电基本上是可用的解决方案，直到 1990 年代后期开发出基于 CMOS 的数字隔离器，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光电与电容耦合 CMOS 隔离器的基本操作图 2 显示了光电和数字隔离器的 X 射线图像示例，以帮助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 射线图像光电的一个突出特点是老化问题。LED 的量子效率定义为每个输入电流电子的总光子数，在恒定电流下随时间降低。这主要是由于 PN 结的电应力和热应力。这对光耦合器的长期稳定性和运行有影响，尤其是在高温运行时。设计师可以通过做几件事来补偿老化：

减少实际运行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，这些操作限制了用例，因为隔离器在本质上存在此类条件的系统中有用。数字隔离器没有这样的物理限制。由于 optos 主要通过切换 PN 结二极管来工作，因此它们的切换速率相对较慢。因此，光电器件只能提供较低的数据速率，并具有较大的传播延迟和偏斜。

行业趋势和 CMOS 数字隔离器在带宽和功耗日益增长的世界中，基于 CMOS 的新型数字隔离器提供了一种理想的解决方案。常见的隔离应用是在工业市场——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)、用于电机控制的逆变器和不间断电源 (UPS) 等设备中。工业自动化是隔离器的市场，工业系统设计人员看重 CMOS 隔离器带来的高温运行、卓越的部件间匹配、低偏斜和高抗扰度。其他大量使用的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供电。

数字技术的早期采用者是隔离式电源制造商。这些电源主要用于服务器和电信基站。对于这个市场，关键的参数是功率密度，口头禅是 W/mm 3。它帮助清洁环境的绿色倡议也要求提高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损失，这导致系统尺寸进一步减小，因为不再需要占用空间的散热器。与光电相比，CMOS 数字隔离器技术对这些新型隔离器器件的时序特性的影响。

由于这些不是基于切换 LED 的 PN 结来实现信号传输，因此切换速率提高了一个数量级。结合更小的几何尺寸和标准 CMOS 硅技术使用的更可重复和稳定的制造工艺所提供的优势，传播延迟、脉冲宽度失真或偏斜、部件间匹配和共模瞬态抗扰度等时序参数（ CMTI）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，以电压转换率 kV/?s 来衡量。光电的局限性是由于涉及化合物半导体技术的制造过程，它更适合光学操作而不是快速和准确的设备。

数字隔离器的另一个快速新兴市场是汽车。虽然传统的基于内燃机 (ICE) 的汽车几乎不使用任何隔离器，但随着电动汽车的推出，这种情况发生了变化。目前，各种形式的混合动力电动汽车 (HEV) 和 EV 都采用 200V 至 400V 的高压电池，未来计划采用更高的电压以实现更高的功率和/或容量，从而限度地延长每次充电的距离。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 EV/HEV 推出计划。汽车行业也被证明是数字隔离器技术的早期采用者，因为它具有出色的高温运行、稳定性和抗噪性。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。

Optos 仍然占据整个隔离市场的大部分份额，即使在高性能领域（大致特征为数据速率至少为 1 Mbps 的隔离器产品和栅极驱动器等专用产品）也是如此。尽管光电器件存在内在性能不足，但它们在市场上仍有一些优势。的优势是 optos 几十年来一直是事实上的解决方案；设计师对使用 opto 感到很舒服，并且觉得它们更安全——毕竟，隔离器是安全设备。

数字隔离器与早的实施相比已经取得了长足的进步，早期的实施通常只提供基本的绝缘水平（大致相当于 2.5 kV 的隔离额定值）。今天，数字隔离器有加强型和双重绝缘额定值（5 kV 或更高），在提供安全性方面被认为与光电不相上下。光电的另一个优点是它们本质上不受外部电磁 (EM) 场的影响，并且辐射的 EM 噪声也较少。这在工业市场中是一个优势，例如在工厂车间存在高电磁场发生器（例如重型感应电机）并且电子系统需要耐受此类外部场。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力并且辐射水平较低。表 1 简要说明了光电和 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器市场的两倍，这表明终用户越来越有信心将他们的设计从传统光电转换为数字隔离器。

表 1光耦合器和数字隔离器的比较。

点击放大合规性和安全标准隔离安全标准在向终用户保证他们选择的隔离解决方案已经过通用标准测试并且性能令人满意方面发挥着重要作用。在这方面，数字隔离器制造商和光电制造商认识到终受益者是终用户，因此合作定义了一个新的合规标准，该标准不仅是一个传下来的光电标准，而且是一个真正适应制造和设计的标准光耦合器和 CMOS 数字隔离器之间的区别。这个新的 VDE 0884-11 标准已经是一个有效的规范。此外，即将发布的 IEC 版本标准 IEC 60747-17 将在很大程度上减轻客户的担忧。

基于 CMOS 的数字隔离器充分利用了的半导体技术，并为系统设计人员提供了优于传统光电器件的几个关键优势。正如我们所见，这些优势正在改变游戏规则，并帮助塑造了电源、绿色能源和汽车等行业的发展，并将在不久的将来继续推动其他市场的创新。