【導讀】為電子控制設備和操作員提供高壓安全保護具有相對較高地電位差的子系統之間的有效通信防止電噪聲破壞敏感信號這些挑戰可以通過(guò)在電路設計中引入電流隔離器來(lái)解決。電流隔離器是在沒(méi)有任何電流流過(guò)絕緣屏障的情況下耦合電氣數據或控制信號的設備，從而使信號能夠在阻擋噪聲的同時(shí)傳輸。絕緣屏障還可以保護設備和操作人員免受高壓影響。
在工業(yè)自動(dòng)化、電信基站電源和電動(dòng)汽車(chē) (EV) 車(chē)載充電器 (OBC) 等各種應用中，現代電子系統的設計面臨著(zhù)一系列獨特的挑戰：
為電子控制設備和操作員提供高壓安全保護具有相對較高地電位差的子系統之間的有效通信防止電噪聲破壞敏感信號這些挑戰可以通過(guò)在電路設計中引入電流隔離器來(lái)解決。電流隔離器是在沒(méi)有任何電流流過(guò)絕緣屏障的情況下耦合電氣數據或控制信號的設備，從而使信號能夠在阻擋噪聲的同時(shí)傳輸。絕緣屏障還可以保護設備和操作人員免受高壓影響。
光耦合隔離器早的隔離器是光耦合器件，也稱(chēng)為光隔離器或光耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)“opto”。批光電于 1960 年代發(fā)布。早的形式包括初級側的微型白熾發(fā)光燈泡、用作絕緣或介電層以及光路的透明（光學(xué)透明）塑料，以及次級側的光敏電阻，其阻值由落在其上的光量調制。后來(lái)的發(fā)展引入了更復雜的光耦合設備，使系統設計人員的工作變得更加輕松。
它們基本上都是初級側的某種發(fā)光結構（微型燈泡被基于半導體的發(fā)光二極管或 LED 取代），再加上各種形式的光敏器件，例如光敏電阻，光電晶體管、光電二極管或三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件，使該設備適用于一系列直流和交流應用。光電基本上是可用的解決方案，直到 1990 年代后期開(kāi)發(fā)出基于 CMOS 的數字隔離器，使用電感（磁）或電容耦合來(lái)傳輸信號。圖 1 突出顯示了光耦合器和數字隔離器之間的技術(shù)差異。
圖 1光電與電容耦合 CMOS 隔離器的基本操作圖 2 顯示了光電和數字隔離器的 X 射線(xiàn)圖像示例，以幫助可視化這些設備的物理結構。
圖 2光耦合器組件（左）和數字隔離器組件（右）的 X 射線(xiàn)圖像光電的一個(gè)突出特點(diǎn)是老化問(wèn)題。
LED 的量子效率定義為每個(gè)輸入電流電子的總光子數，在恒定電流下隨時(shí)間降低。這主要是由于 PN 結的電應力和熱應力。這對光耦合器的長(cháng)期穩定性和運行有影響，尤其是在高溫運行時(shí)。設計師可以通過(guò)做幾件事來(lái)補償老化：
減少實(shí)際運行壽命降低工作二極管電流和環(huán)境溫度避免峰值瞬態(tài)電流當然，這些操作限制了用例，因為隔離器在本質(zhì)上存在此類(lèi)條件的系統中有用。數字隔離器沒(méi)有這樣的物理限制。由于 optos 主要通過(guò)切換 PN 結二極管來(lái)工作，因此它們的切換速率相對較慢。因此，光電器件只能提供較低的數據速率，并具有較大的傳播延遲和偏斜。
行業(yè)趨勢和 CMOS 數字隔離器在帶寬和功耗日益增長(cháng)的世界中，基于 CMOS 的新型數字隔離器提供了一種理想的解決方案。常見(jiàn)的隔離應用是在工業(yè)市場(chǎng)——工廠(chǎng)自動(dòng)化、過(guò)程控制、可編程邏輯控制器 (PLC) 或過(guò)程自動(dòng)化控制器 (PAC)、用于電機控制的逆變器和不間斷電源 (UPS) 等設備中。工業(yè)自動(dòng)化是隔離器的市場(chǎng)，工業(yè)系統設計人員看重 CMOS 隔離器帶來(lái)的高溫運行、卓越的部件間匹配、低偏斜和高抗擾度。其他大量使用的應用包括電信基站和服務(wù)器中使用的隔離電源，這些電源為我們日益互聯(lián)的世界——物聯(lián)網(wǎng)背后的基礎設施供電。
數字技術(shù)的早期采用者是隔離式電源制造商。這些電源主要用于服務(wù)器和電信基站。對于這個(gè)市場(chǎng)，關(guān)鍵的參數是功率密度，口頭禪是 W/mm 3。它幫助清潔環(huán)境的綠色倡議也要求提高效率以減少能源浪費。事實(shí)證明，擁有更高效率的系統也意味著(zhù)更少的熱損失，這導致系統尺寸進(jìn)一步減小，因為不再需要占用空間的散熱器。與光電相比，CMOS 數字隔離器技術(shù)對這些新型隔離器器件的時(shí)序特性的影響。
由于這些不是基于切換 LED 的 PN 結來(lái)實(shí)現信號傳輸，因此切換速率提高了一個(gè)數量級。結合更小的幾何尺寸和標準 CMOS 硅技術(shù)使用的更可重復和穩定的制造工藝所提供的優(yōu)勢，傳播延遲、脈沖寬度失真或偏斜、部件間匹配和共模瞬態(tài)抗擾度等時(shí)序參數（ CMTI）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，以電壓轉換率 kV/?s 來(lái)衡量。光電的局限性是由于涉及化合物半導體技術(shù)的制造過(guò)程，它更適合光學(xué)操作而不是快速和準確的設備。
數字隔離器的另一個(gè)快速新興市場(chǎng)是汽車(chē)。雖然傳統的基于內燃機 (ICE) 的汽車(chē)幾乎不使用任何隔離器，但隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的推出，這種情況發(fā)生了變化。目前，各種形式的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 和 EV 都采用 200V 至 400V 的高壓電池，未來(lái)計劃采用更高的電壓以實(shí)現更高的功率和/或容量，從而限度地延長(cháng)每次充電的距離。這種高壓電池需要使用隔離器來(lái)確保車(chē)輛內不同電壓域之間的安全和信號傳輸。幾乎所有主要汽車(chē)制造商都有即將推出的 EV/HEV 推出計劃。汽車(chē)行業(yè)也被證明是數字隔離器技術(shù)的早期采用者，因為它具有出色的高溫運行、穩定性和抗噪性。電池管理系統(BMS) 和充電器正在推動(dòng) EV/HEV 市場(chǎng)對隔離器的需求。
Optos 仍然占據整個(gè)隔離市場(chǎng)的大部分份額，即使在高性能領(lǐng)域（大致特征為數據速率至少為 1 Mbps 的隔離器產(chǎn)品和柵極驅動(dòng)器等專(zhuān)用產(chǎn)品）也是如此。盡管光電器件存在內在性能不足，但它們在市場(chǎng)上仍有一些優(yōu)勢。的優(yōu)勢是 optos 幾十年來(lái)一直是事實(shí)上的解決方案；設計師對使用 opto 感到很舒服，并且覺(jué)得它們更安全——畢竟，隔離器是安全設備。
數字隔離器與早的實(shí)施相比已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步，早期的實(shí)施通常只提供基本的絕緣水平（大致相當于 2.5 kV 的隔離額定值）。今天，數字隔離器有加強型和雙重絕緣額定值（5 kV 或更高），在提供安全性方面被認為與光電不相上下。光電的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們本質(zhì)上不受外部電磁 (EM) 場(chǎng)的影響，并且輻射的 EM 噪聲也較少。這在工業(yè)市場(chǎng)中是一個(gè)優(yōu)勢，例如在工廠(chǎng)車(chē)間存在高電磁場(chǎng)發(fā)生器（例如重型感應電機）并且電子系統需要耐受此類(lèi)外部場(chǎng)。與基于磁性的數字隔離器相比，基于電容的數字隔離器對外部電磁場(chǎng)也具有高度免疫力并且輻射水平較低。表 1 簡(jiǎn)要說(shuō)明了光電和 CMOS 數字隔離器的優(yōu)缺點(diǎn)。
數字隔離器產(chǎn)品的增長(cháng)率大約是整個(gè)隔離器市場(chǎng)的兩倍，這表明終用戶(hù)越來(lái)越有信心將他們的設計從傳統光電轉換為數字隔離器。
表 1光耦合器和數字隔離器的比較。
點(diǎn)擊放大合規性和安全標準隔離安全標準在向終用戶(hù)保證他們選擇的隔離解決方案已經(jīng)過(guò)通用標準測試并且性能令人滿(mǎn)意方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。在這方面，數字隔離器制造商和光電制造商認識到終受益者是終用戶(hù)，因此合作定義了一個(gè)新的合規標準，該標準不僅是一個(gè)傳下來(lái)的光電標準，而且是一個(gè)真正適應制造和設計的標準光耦合器和 CMOS 數字隔離器之間的區別。這個(gè)新的 VDE 0884-11 標準已經(jīng)是一個(gè)有效的規范。此外，即將發(fā)布的 IEC 版本標準 IEC 60747-17 將在很大程度上減輕客戶(hù)的擔憂(yōu)。
基于 CMOS 的數字隔離器充分利用了的半導體技術(shù)，并為系統設計人員提供了優(yōu)于傳統光電器件的幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。正如我們所見(jiàn)，這些優(yōu)勢正在改變游戲規則，并幫助塑造了電源、綠色能源和汽車(chē)等行業(yè)的發(fā)展，并將在不久的將來(lái)繼續推動(dòng)其他市場(chǎng)的創(chuàng )新。
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