關(guān)于信號隔離的8個常見誤區(qū)

隨著工業(yè)、汽車、通信和個人電子應(yīng)用對可靠信號隔離的需求不斷增長，最近的設(shè)計趨勢已經(jīng)從光耦合器等傳統(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)于其有效性的幾個常見誤解仍然存在。同樣，關(guān)于光耦合器的可靠性能和壽命也存在一些誤解或神話。在本文中，我將對這兩種設(shè)備的常見誤解進(jìn)行事實(shí)核查。

什么是光耦合器？什么是數(shù)字隔離器？

在探討這些神話之前，讓我們回顧一下這些技術(shù)之間的差異：

光耦合器使用邏輯輸入來產(chǎn)生輸入側(cè)電流。LED 通過模塑料屏障將信號作為光傳輸?shù)浇邮展怆娞綔y器和位于隔離屏障另一側(cè)的輸出。

數(shù)字隔離器使用基于硅的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)，具有兩個集成電路 (IC) 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)送信號。

光耦誤區(qū)一：光耦有可靠的故障條件

有一個常見的誤解，即當(dāng)高壓事件破壞器件時，光耦合器總是會因“開路”電路而失效。盡管光耦合器有多種失效打開方式，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。

在第一種故障模式的條件下，當(dāng)隔離柵上施加的電壓超過隔離器的額定限值時，隔離柵對于光耦合器和數(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)室中測試了第一個故障模式；白皮書“了解隔離器中的故障模式”描述了對故障短路結(jié)果的觀察。

第二種故障模式，即隔離器內(nèi)的高壓和大電流損壞電路，可能導(dǎo)致兩種設(shè)備類型出現(xiàn)故障打開情況。這些高壓事件可能會破壞足夠多的設(shè)備電路，使其不再正常工作，但會留下足夠多的隔離柵完好無損以仍然提供隔離。

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，您必須選擇滿足或超過設(shè)計電氣安全標(biāo)準(zhǔn)的隔離器。

（一個）

(b)圖 1：(a) 光耦合器一側(cè)和 (b) 數(shù)字隔離器一側(cè)的高壓事件橫截面。（來源：德州儀器公司）

光耦合器誤區(qū)二：光耦合器的壽命是可預(yù)測的，幾乎沒有變化

對于所有電子設(shè)計，確保 IC 能夠在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)持續(xù)使用至關(guān)重要。對于隔離器件來說尤其如此，因?yàn)樗鼈冊诖嬖诙鄠€電壓域的情況下可以保護(hù)信號。盡管您可能期望兩個相同的光耦合器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)楣怦詈掀鞯母綦x柵是在生產(chǎn)的組裝階段產(chǎn)生的。

數(shù)字隔離器制造商通常在更嚴(yán)格控制的硅晶片制造過程中構(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：光耦合器和數(shù)字隔離器的時間相關(guān)介電擊穿。單擊以獲得更大的圖像。（來源：德州儀器公司）

光耦合器誤區(qū) 3：光耦合器數(shù)據(jù)表規(guī)格將持續(xù)器件的使用壽命

您可能沒有意識到光耦合器中 LED 的光輸出會隨著時間的推移而降低，這對電流傳輸比 (CTR) 等參數(shù)有直接影響。光耦合器內(nèi)的模塑料會隨著時間的推移而變黃，導(dǎo)致通過隔離柵的光減少，進(jìn)一步降低了 CTR。最終，CTR 將下降到設(shè)備不再正常運(yùn)行的水平，從而導(dǎo)致高故障率和低平均故障間隔時間。

為了抵消這一點(diǎn)，設(shè)計人員通常會過度設(shè)計以考慮隨著時間的推移預(yù)期的退化，這可能導(dǎo)致更高的初始功耗。這些問題并不總是在光耦合器數(shù)據(jù)表中提及，因此很難在隔離設(shè)計中加以考慮。例如， TI 數(shù)字隔離器使用高度控制的制造制造工藝，我們的數(shù)據(jù)表確實(shí)考慮了最小或最大規(guī)格的老化，有助于在設(shè)備的整個生命周期內(nèi)設(shè)定性能預(yù)期。

光耦合器誤區(qū) 4：隔離受光耦合器最高工作溫度的限制

典型光耦合器的額定最高工作溫度為 85°C。盡管市場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。對于需要高達(dá) 150°C 溫度支持的汽車設(shè)計，TI 的 0 級認(rèn)證ISO7741E-Q1等數(shù)字隔離器有助于在峰值環(huán)境溫度下提供可靠的系統(tǒng)運(yùn)行。對于每個組件都需要在 110°C 以上可靠運(yùn)行的高溫設(shè)計，較低的額定溫度可能會帶來問題。否則，系統(tǒng)性能或設(shè)備壽命可能會在高溫下降低。

光耦合器誤區(qū)五：無初級側(cè)供電意味著低功耗

在配置系統(tǒng)以降低功耗時，重要的是要考慮如何驅(qū)動隔離器的輸入。光耦合器由電流輸入驅(qū)動，而數(shù)字隔離器由電壓輸入驅(qū)動——CMOS 或晶體管-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，這會導(dǎo)致輸入端的高功耗。

TI 的ISO7041等數(shù)字隔離器通常要求通道輸入端的待機(jī)電流小于 10 μA。圖 3顯示了 ISO7041 的電流消耗與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。在該測試中，器件的所有四個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：德州儀器公司）

數(shù)字隔離器誤區(qū)一：小數(shù)字隔離器 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。對于光耦合器，DTI 是 LED 和光電探測器之間的距離。對于基于電容的數(shù)字隔離器，DTI 是電容器兩個極板之間的距離。

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 >0.4 mm 才能滿足當(dāng)今嚴(yán)格的增強(qiáng)型隔離認(rèn)證要求。然而，實(shí)際上，隔離器勢壘的強(qiáng)度是 DTI 以及電介質(zhì)材料的高壓強(qiáng)度的組合。

光耦合器的介電強(qiáng)度要低得多，因此需要更大的 DTI?；陔娙莸臄?shù)字隔離器使用具有顯著更高介電強(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：德州儀器公司）

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

盡管這個神話具有歷史意義，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)高通道數(shù)密度的能力也有利于降低整體系統(tǒng)成本。例如，ISO6741在同一封裝中提供四個增強(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)字隔離器神話 3：數(shù)字隔離器集成和節(jié)省電路板空間是有代價的

數(shù)字隔離器的最大優(yōu)勢之一是它們能夠?qū)⑵渌到y(tǒng)要求集成到同一封裝中。控制器局域網(wǎng)、RS-485、I 2 C 和低壓差分信號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)字隔離器會對您的預(yù)算產(chǎn)生不利影響，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合器解決方案相比。

分立光耦合器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）的成本以及它們最終消耗的電路板空間。圖 4比較了光耦合器和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，請參閱技術(shù)文章“用于隔離式 RS-485 設(shè)計的光耦合器的隱藏成本”。

圖 4：分立式和完全集成式隔離 RS-485 解決方案之間的印刷電路板比較（來源：德州儀器公司）

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)在是許多設(shè)計人員的首選隔離解決方案。下次您的設(shè)計需要可靠的信號隔離解決方案時，請記住本文中描述的神話和事實(shí)。