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基于性能的光隔离器和数字隔离器的观点

文章作者:Ashish Gokhale

现代电子系统的设计带来了一系列独特的挑战，可以通过引入电隔离器来解决。

现代电子系统在工业自动化、电信基站电源和电动汽车车载充电器(OBC)等各种应用领域的设计都面临着一系列独特的挑战:

为电子控制设备以及人类操作人员提供高电压的安全性
具有相对高地电位差的子系统之间的有效沟通
防止电噪声损坏敏感信号

这些挑战可以通过在电路设计中引入电流隔离器来解决。电流隔离器是跨越绝缘屏障的电气数据或控制信号的装置，而没有通过它的任何电流流动，从而使信号能够在阻挡噪声的同时传送信号。绝缘屏障还保护设备和人工人员从高电压。

Opto-coupled光电隔离器
最早的隔离器是光学耦合器件，也称为光隔离器或光耦合器，“光学”短。20世纪60年代发行了第一款OPTO专利。最早的形式由初级侧的微型白炽发光灯泡组成，透明（光学透明的）塑料，其作为绝缘或介电层以及光路，以及次级侧的光电电阻，其电阻被落在它上的光量被调节。后来的开发引入了更复杂的光耦合器设备，使系统设计师的工作变得更轻松。

它们基本上都是某种发光结构(微型灯泡被基于半导体的发光二极管或LED所取代)，在主面上，加上各种形式的光敏器件，如光敏电阻、光敏晶体管、光敏二极管或可控硅，这使得该设备适用于直流和交流应用。在20世纪90年代末基于cmos的数字隔离器开发出来之前，光电基本上是唯一可用的解决方案，使用感应(磁)或电容耦合来传输信号。图1突出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展示了光学和数字隔离器的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

老化问题是光电产品的一个突出特点。LED的量子效率，定义为输入电流中每个电子的总光子数，在恒定电流下随时间而降低。这主要是由于PN结的电和热应力。这对光耦合器的长期稳定性和工作性能，特别是在高温条件下工作具有重要意义。设计师可以做以下几件事来弥补衰老:

降低实际使用寿命
降低工作二极管电流和环境温度
避免峰值暂态电流

当然，这些动作对用例施加限制，因为隔离器在本质上存在这些条件的系统中最有用。数字隔离器没有这样的物理限制。由于光学基本上通过切换PN结二极管来实现，因此它们具有相对较慢的开关速率。因此，光学仅能够具有较大的传播延迟和偏斜的数据速率。

行业趋势和CMOS数字隔离器
在一个越来越需要带宽和功耗的世界中，新型cmos数字隔离器提供了一个理想的解决方案。隔离最常见的应用是在工业市场——在设备中，如工厂自动化、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)。工业自动化是隔离器的最大市场，工业系统的设计人员重视CMOS隔离器带来的高温操作、卓越的部件间匹配、低倾斜和高噪声抗扰性。其他需要大量使用的应用包括用于电信基站和服务器的隔离电源，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。对于这个市场来说，最关键的参数是功率密度，而Mantra是W / mm^3.。它帮助全球更清洁环境的绿色举措也强调效率更高，以减少浪费的能量。事实证明，具有更高效率的系统还意味着较少的热量损失，这导致系统尺寸进一步降低，因为不再需要空间的散热器。与光学相比，CMOS数字隔离技术的最大影响是这些新隔离装置的时序特性。

由于这些不是基于开关LED的PN结来实现信号传输，开关率提高了一个数量级。结合标准CMOS硅技术的更小的几何形状和更可重复性和更稳定的制造工艺所提供的优势，如传播延迟、脉冲宽度失真或倾斜、部件间匹配和共模瞬态抗扰度(CMTI)等时间参数得到了极大的改善。在隔离行业中，CMTI基本上是指共模噪声抑制能力，测量为电压转换速率，kV/µs。光的局限性是由于涉及化合物半导体技术的制造过程，这更适合光学操作，而不是快速和精确的设备。数字隔离器的固有优势帮助电源oem加紧功率转换器控制回路定时，从而获得效率。

另一个快速新兴的数字隔离市场是汽车。而传统的内燃机（冰）汽车几乎没有使用任何隔离器，这与EVS的引入发生了变化。各种形式的混合动力电动车辆（HEV）和EVS的高电压电池从200V到400V的高电压电池，并在将来计划更高的电压，以实现更高的功率和/或容量，以最大化每个充电距离。该高压电池需要在车辆内的不同电压域中使用隔离器进行安全性和信号传输。事实上，所有主要的汽车制造商都有一个即将到来的EV / HEV卷展栏计划。由于其卓越的高温操作，稳定性和抗噪性，汽车工业也被证明是数字隔离技术的早期采用者。最终应用程序如电池管理系统(BMS)和充电器正在推动电动汽车/混合动力汽车市场对隔离器的需求。

[继续阅读EDN US:光电子的优点］

阿施施Gokhale是硅实验室电力产品的高级产品经理，专注于该公司的数字隔离组合。

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