【導(dǎo)讀】為電子控制設(shè)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(tǒng)之間的有效通信防止電噪聲破壞敏感信號這些挑戰(zhàn)可以通過在電路設(shè)計中引入電流隔離器來解決。電流隔離器是在沒有任何電流流過絕緣屏障的情況下耦合電氣數(shù)據(jù)或控制信號的設(shè)備，從而使信號能夠在阻擋噪聲的同時傳輸。絕緣屏障還可以保護設(shè)備和操作人員免受高壓影響。
在工業(yè)自動化、電信基站電源和電動汽車 (EV) 車載充電器 (OBC) 等各種應(yīng)用中，現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計面臨著一系列獨特的挑戰(zhàn)：
為電子控制設(shè)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(tǒng)之間的有效通信防止電噪聲破壞敏感信號這些挑戰(zhàn)可以通過在電路設(shè)計中引入電流隔離器來解決。電流隔離器是在沒有任何電流流過絕緣屏障的情況下耦合電氣數(shù)據(jù)或控制信號的設(shè)備，從而使信號能夠在阻擋噪聲的同時傳輸。絕緣屏障還可以保護設(shè)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，也稱為光隔離器或光耦合器，簡稱“opto”。批光電于 1960 年代發(fā)布。早的形式包括初級側(cè)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(cè)的光敏電阻，其阻值由落在其上的光量調(diào)制。后來的發(fā)展引入了更復(fù)雜的光耦合設(shè)備，使系統(tǒng)設(shè)計人員的工作變得更加輕松。
它們基本上都是初級側(cè)的某種發(fā)光結(jié)構(gòu)（微型燈泡被基于半導(dǎo)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關(guān)元件，使該設(shè)備適用于一系列直流和交流應(yīng)用。光電基本上是可用的解決方案，直到 1990 年代后期開發(fā)出基于 CMOS 的數(shù)字隔離器，使用電感（磁）或電容耦合來傳輸信號。圖 1 突出顯示了光耦合器和數(shù)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(shù)字隔離器的 X 射線圖像示例，以幫助可視化這些設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)。
圖 2光耦合器組件（左）和數(shù)字隔離器組件（右）的 X 射線圖像光電的一個突出特點是老化問題。
LED 的量子效率定義為每個輸入電流電子的總光子數(shù)，在恒定電流下隨時間降低。這主要是由于 PN 結(jié)的電應(yīng)力和熱應(yīng)力。這對光耦合器的長期穩(wěn)定性和運行有影響，尤其是在高溫運行時。設(shè)計師可以通過做幾件事來補償老化：
減少實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)上存在此類條件的系統(tǒng)中有用。數(shù)字隔離器沒有這樣的物理限制。由于 optos 主要通過切換 PN 結(jié)二極管來工作，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(shù)據(jù)速率，并具有較大的傳播延遲和偏斜。
行業(yè)趨勢和 CMOS 數(shù)字隔離器在帶寬和功耗日益增長的世界中，基于 CMOS 的新型數(shù)字隔離器提供了一種理想的解決方案。常見的隔離應(yīng)用是在工業(yè)市場——工廠自動化、過程控制、可編程邏輯控制器 (PLC) 或過程自動化控制器 (PAC)、用于電機控制的逆變器和不間斷電源 (UPS) 等設(shè)備中。工業(yè)自動化是隔離器的市場，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計人員看重 CMOS 隔離器帶來的高溫運行、卓越的部件間匹配、低偏斜和高抗擾度。其他大量使用的應(yīng)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?nèi)找婊ヂ?lián)的世界——物聯(lián)網(wǎng)背后的基礎(chǔ)設(shè)施供電。
數(shù)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。對于這個市場，關(guān)鍵的參數(shù)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。事實證明，擁有更高效率的系統(tǒng)也意味著更少的熱損失，這導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸進一步減小，因為不再需要占用空間的散熱器。與光電相比，CMOS 數(shù)字隔離器技術(shù)對這些新型隔離器器件的時序特性的影響。
由于這些不是基于切換 LED 的 PN 結(jié)來實現(xiàn)信號傳輸，因此切換速率提高了一個數(shù)量級。結(jié)合更小的幾何尺寸和標準 CMOS 硅技術(shù)使用的更可重復(fù)和穩(wěn)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)抗擾度等時序參數(shù)（ 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(zhuǎn)換率 kV/?s 來衡量。光電的局限性是由于涉及化合物半導(dǎo)體技術(shù)的制造過程，它更適合光學(xué)操作而不是快速和準確的設(shè)備。
數(shù)字隔離器的另一個快速新興市場是汽車。雖然傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機 (ICE) 的汽車幾乎不使用任何隔離器，但隨著電動汽車的推出，這種情況發(fā)生了變化。目前，各種形式的混合動力電動汽車 (HEV) 和 EV 都采用 200V 至 400V 的高壓電池，未來計劃采用更高的電壓以實現(xiàn)更高的功率和/或容量，從而限度地延長每次充電的距離。這種高壓電池需要使用隔離器來確保車輛內(nèi)不同電壓域之間的安全和信號傳輸。幾乎所有主要汽車制造商都有即將推出的 EV/HEV 推出計劃。汽車行業(yè)也被證明是數(shù)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(wěn)定性和抗噪性。電池管理系統(tǒng)(BMS) 和充電器正在推動 EV/HEV 市場對隔離器的需求。
Optos 仍然占據(jù)整個隔離市場的大部分份額，即使在高性能領(lǐng)域（大致特征為數(shù)據(jù)速率至少為 1 Mbps 的隔離器產(chǎn)品和柵極驅(qū)動器等專用產(chǎn)品）也是如此。盡管光電器件存在內(nèi)在性能不足，但它們在市場上仍有一些優(yōu)勢。的優(yōu)勢是 optos 幾十年來一直是事實上的解決方案；設(shè)計師對使用 opto 感到很舒服，并且覺得它們更安全——畢竟，隔離器是安全設(shè)備。
數(shù)字隔離器與早的實施相比已經(jīng)取得了長足的進步，早期的實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(shù)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。光電的另一個優(yōu)點是它們本質(zhì)上不受外部電磁 (EM) 場的影響，并且輻射的 EM 噪聲也較少。這在工業(yè)市場中是一個優(yōu)勢，例如在工廠車間存在高電磁場發(fā)生器（例如重型感應(yīng)電機）并且電子系統(tǒng)需要耐受此類外部場。與基于磁性的數(shù)字隔離器相比，基于電容的數(shù)字隔離器對外部電磁場也具有高度免疫力并且輻射水平較低。表 1 簡要說明了光電和 CMOS 數(shù)字隔離器的優(yōu)缺點。
數(shù)字隔離器產(chǎn)品的增長率大約是整個隔離器市場的兩倍，這表明終用戶越來越有信心將他們的設(shè)計從傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換為數(shù)字隔離器。
表 1光耦合器和數(shù)字隔離器的比較。
點擊放大合規(guī)性和安全標準隔離安全標準在向終用戶保證他們選擇的隔離解決方案已經(jīng)過通用標準測試并且性能令人滿意方面發(fā)揮著重要作用。在這方面，數(shù)字隔離器制造商和光電制造商認識到終受益者是終用戶，因此合作定義了一個新的合規(guī)標準，該標準不僅是一個傳下來的光電標準，而且是一個真正適應(yīng)制造和設(shè)計的標準光耦合器和 CMOS 數(shù)字隔離器之間的區(qū)別。這個新的 VDE 0884-11 標準已經(jīng)是一個有效的規(guī)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的擔憂。
基于 CMOS 的數(shù)字隔離器充分利用了的半導(dǎo)體技術(shù)，并為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了優(yōu)于傳統(tǒng)光電器件的幾個關(guān)鍵優(yōu)勢。正如我們所見，這些優(yōu)勢正在改變游戲規(guī)則，并幫助塑造了電源、綠色能源和汽車等行業(yè)的發(fā)展，并將在不久的將來繼續(xù)推動其他市場的創(chuàng)新。
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