光耦和數(shù)字隔離器的常見誤區(qū)

隨著工業(yè)、汽車、通信和個(gè)人電子應(yīng)用對(duì)可靠信號(hào)隔離的需求不斷增長，最近的設(shè)計(jì)趨勢(shì)已經(jīng)從光耦等傳統(tǒng)隔離技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字隔離器。盡管數(shù)字隔離盛行，但與光耦合器相比，關(guān)于其有效性仍然有幾個(gè)常見誤解。同樣，關(guān)于光耦的可靠性能和壽命也存在一些誤解或神話。在本文中，我將對(duì)這兩種器件的常見誤解進(jìn)行說明。

什么是光耦?什么是數(shù)字隔離器?

在探索這些之前，讓我們回顧一下這些技術(shù)之間的差異：

光耦使用邏輯輸入來產(chǎn)生輸入側(cè)電流，由LED將信號(hào)轉(zhuǎn)換成光，然后通過隔離傳輸?shù)搅硪粋?cè)，再由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

數(shù)字隔離器使用基于硅的CMOS技術(shù)，具有兩個(gè)集成電路和內(nèi)置于硅工藝中的高壓電介質(zhì)。數(shù)字隔離器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻域，并通過基于電容的高壓二氧化硅電介質(zhì)屏障發(fā)送射頻信號(hào)。

光耦誤區(qū)一：光耦非?？煽?/p>

有一個(gè)常見的誤解，即當(dāng)高壓破壞器件時(shí)，光耦合器總是會(huì)因“開路”電路而失效。盡管光耦有多種失效方式，但光耦合器也可能在“短路”電路中失效，具體取決于高壓系統(tǒng)中不同的故障模式。

在第一種故障模式下，當(dāng)隔離柵上施加的電壓超過隔離器的額定限值時(shí)，隔離柵對(duì)于光耦合器和數(shù)字隔離器都可能發(fā)生短路故障。德州儀器 (TI) 在其實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試了第一個(gè)故障模式;白皮書“了解隔離器中的失效模式”具體描述了對(duì)失效短路結(jié)果的觀察。

第二種故障模式，即隔離器內(nèi)的高壓和大電流破壞電路，可能導(dǎo)致發(fā)生故障從而打開情況。這些高壓事件可能會(huì)導(dǎo)致更多的電路遭到破壞，使其不再正常工作，但隔離柵卻仍然完好。

圖 1a 顯示了光耦合器上的高壓事件，圖 1b 顯示了數(shù)字隔離器上的類似事件。根據(jù)高壓事件的類型和屏障的強(qiáng)度，可能會(huì)發(fā)生不同程度的退化。為防止由第一種故障模式引起的短路故障，必須選擇滿足或超過電氣安全標(biāo)準(zhǔn)的隔離器。

圖 1：(a) 光耦合器一側(cè)和 (b) 數(shù)字隔離器一側(cè)發(fā)生高壓事故時(shí)的橫截面。(來源：TI)

光耦誤區(qū)二：光耦的壽命是可預(yù)測(cè)的，幾乎沒有變化

對(duì)于所有電子設(shè)計(jì)，確保 IC 能夠在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)持續(xù)使用至關(guān)重要。對(duì)于隔離器件來說尤其如此，因?yàn)樗鼈冊(cè)诙鄠€(gè)電壓域的情況下保護(hù)信號(hào)。盡管您可能期望兩個(gè)相同的光耦具有非常相似的高壓壽命，但實(shí)際上不同器件的高壓性能可能存在顯著差異，這通常是因?yàn)楣怦畹母綦x柵是在封裝階段產(chǎn)生的。

數(shù)字隔離器制造商通常在更嚴(yán)格控制的硅芯片制造過程中構(gòu)建其隔離屏障。圖 2 說明了高壓壽命和變化的差異，其中高壓壽命更長，并且此測(cè)試中使用的 TI 數(shù)字隔離器分布更緊密。要了解有關(guān)此主題的更多信息，請(qǐng)參閱白皮書“通過用數(shù)字隔離器替換光耦合器來提高系統(tǒng)性能”。

圖 2：光耦和數(shù)字隔離器的時(shí)間相關(guān)介電擊穿特性。(來源：TI)

光耦誤區(qū)三：光耦Datasheet規(guī)格將嚴(yán)格符合器件的使用壽命

您可能沒有意識(shí)到光耦中 LED 的光輸出會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，這對(duì)電流傳輸比 (CTR) 等參數(shù)有直接影響。光耦內(nèi)的塑料材質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變黃，從而導(dǎo)致通過隔離屏障的光減少，進(jìn)一步減低傳輸率。最終，CTR 將下降到器件不再正常運(yùn)行的水平，從而導(dǎo)致高故障率和低平均故障間隔時(shí)間。

為了抵消這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)設(shè)計(jì)出余量以考慮隨著時(shí)間推移的預(yù)期退化，這可能導(dǎo)致更高的初始功耗。這些問題并不總是在光耦Datasheet中提及，因此很難在隔離設(shè)計(jì)中加以考慮。例如，TI 數(shù)字隔離器使用高度可控的制造工藝，Datasheet考慮了最小或最大規(guī)格的老化，有助于在設(shè)備的整個(gè)生命周期內(nèi)設(shè)定性能預(yù)期。

光耦誤區(qū)四：光耦的最高工作溫度更高

典型光耦合器的額定最高工作溫度為 85°C。盡管市場(chǎng)上有更高額定溫度的光耦合器，但選擇有限，而且它們通常更昂貴。相比之下，數(shù)字隔離器可以輕松支持高達(dá) 125°C 的工作溫度。對(duì)于需要高達(dá) 150°C 溫度支持的汽車設(shè)計(jì)而言，TI 的Grade-0認(rèn)證ISO7741E-Q1 等數(shù)字隔離器有助于在高峰值環(huán)境溫度下提供可靠的系統(tǒng)運(yùn)行。對(duì)于每個(gè)組件都需要在 110°C 以上可靠運(yùn)行的高溫設(shè)計(jì)，較低的額定溫度可能會(huì)帶來問題。不然，系統(tǒng)性能或器件壽命可能會(huì)受影響。

光耦誤區(qū)五：無初級(jí)側(cè)供電意味著功耗更低

在配置系統(tǒng)以降低功耗時(shí)，重要的是要考慮如何驅(qū)動(dòng)隔離器的輸入。光耦由電流輸入驅(qū)動(dòng)，而數(shù)字隔離器由電壓輸入驅(qū)動(dòng)——CMOS 或晶體管邏輯。

光耦合器可以通過控制電壓和電流的串聯(lián)電阻器驅(qū)動(dòng)數(shù)字設(shè)備輸入，例如微控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。輸入電流需要高達(dá) 10 mA 才能激活 LED 并滿足產(chǎn)品生命周期內(nèi)的可靠性，這可能導(dǎo)致輸入端的高功耗。

TI 的 ISO7041 等數(shù)字隔離器通常輸入端的待機(jī)電流要求小于 10 μA。圖 3 顯示了 ISO7041 的電流消耗與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。在該測(cè)試中，器件的所有四個(gè)通道消耗的電流均低于 20 μA。

圖 3：ISO7041 的電流消耗與數(shù)據(jù)速率。(來源：TI)

數(shù)字隔離器誤區(qū)一：數(shù)字隔離器更小的DTI表明隔離性能較弱

隔離器的絕緣層距離 (DTI) 是指用于高壓側(cè)和低壓側(cè)之間絕緣的電介質(zhì)的距離或厚度。對(duì)于光耦，DTI 是 LED 和光電探測(cè)器之間的距離。對(duì)于基于電容的數(shù)字隔離器，DTI 是電容器兩個(gè)極板之間的距離。

由于歷史安全標(biāo)準(zhǔn)，基于光耦合器技術(shù)設(shè)定了最低 DTI 要求，因此存在一種誤解，即所有隔離器的 DTI 必須大于0.4 mm 才能滿足當(dāng)今嚴(yán)格的增強(qiáng)隔離認(rèn)證要求。然而，實(shí)際上，隔離器勢(shì)壘的強(qiáng)度是 DTI 和電介質(zhì)材料的組合。

光耦的介電強(qiáng)度要低得多，因此需要更大的 DTI?；陔娙莸臄?shù)字隔離器使用更高介電強(qiáng)度的二氧化硅，并且可以支持 DTI 低至 21 μm 的增強(qiáng)型隔離。

隨著時(shí)間的推移，管理設(shè)備操作安全標(biāo)準(zhǔn)的組織已經(jīng)考慮到這一點(diǎn)，并更新了法規(guī)，以允許基于正在評(píng)估的技術(shù)使用更薄的電介質(zhì)。表1列出了不同絕緣材料的介電強(qiáng)度。

表 1：常見絕緣材料的介電強(qiáng)度。(來源：TI)

數(shù)字隔離器誤區(qū)二：數(shù)字隔離器的成本遠(yuǎn)高于光耦

盡管這一誤區(qū)具有歷史意義，但數(shù)字隔離器技術(shù)在過去十年中取得了顯著進(jìn)步，以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的性能。在同一封裝中實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)的能力也有利于降低整體系統(tǒng)密度和成本。例如，ISO6741 在同一封裝中提供四個(gè)增強(qiáng)隔離通道，從而以合理的每通道成本提供強(qiáng)大的隔離解決方案。

數(shù)字隔離器誤區(qū)三：數(shù)字隔離器集成和節(jié)省電路板空間是有代價(jià)的

數(shù)字隔離器的最大優(yōu)勢(shì)之一是它們能夠?qū)⑵渌到y(tǒng)要求集成到同一個(gè)封裝中通用電氣控制器局域網(wǎng)、RS-485、I2C 和LVDS信號(hào)等隔離接口就是很好的例子。您可能擔(dān)心購買帶有集成收發(fā)器的數(shù)字隔離器會(huì)對(duì)影響預(yù)算，但事實(shí)是集成數(shù)字隔離器有很多好處，尤其是與類似的分立光耦解決方案相比。

分立光耦解決方案的最大缺點(diǎn)是許多分立元件(電阻器、電容器、二極管、施密特緩沖器、晶體管)的成本以及它們的PCB面積。圖 4 比較了光耦和 ISO1500 集成 RS-485 數(shù)字隔離器的尺寸。有關(guān)此比較的更多信息，請(qǐng)參閱技術(shù)文章“用于隔離式 RS-485 設(shè)計(jì)的光耦合器的隱藏成本”。

圖 4：RS-485分立式和完全集成式隔離方案之間的PCB比較(來源：TI)

結(jié)論

在過去的幾十年里，數(shù)字隔離取得了長足的進(jìn)步，現(xiàn)在已成為許多設(shè)計(jì)人員首選的隔離解決方案。您的設(shè)計(jì)需要可靠的信號(hào)隔離解決方案時(shí)，請(qǐng)記住本文中描述的誤區(qū)和事實(shí)。

原文標(biāo)題：關(guān)于隔離技術(shù)常見的誤區(qū)與過度的神話

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審核編輯：湯梓紅