【導(dǎo)讀】為電子控制設(shè)備和操作員提供高壓安全保護(hù)具有相對(duì)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(hào)這些挑戰(zhàn)可以通過(guò)在電路設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)或控制信號(hào)的設(shè)備，從而使信號(hào)能夠在阻擋噪聲的同時(shí)傳輸。絕緣屏障還可以保護(hù)設(shè)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 (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(jì)面臨著一系列獨(dú)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(hù)具有相對(duì)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(hào)這些挑戰(zhàn)可以通過(guò)在電路設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)或控制信號(hào)的設(shè)備，從而使信號(hào)能夠在阻擋噪聲的同時(shí)傳輸。絕緣屏障還可以保護(hù)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(jiǎn)稱“opto”。批光電于 1960 年代發(fā)布。早的形式包括初級(jí)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(jí)側(cè)的光敏電阻，其阻值由落在其上的光量調(diào)制。后來(lái)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(jì)人員的工作變得更加輕松。
它們基本上都是初級(jí)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(kāi)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(kāi)發(fā)出基于 CMOS 的數(shù)字隔離器，使用電感（磁）或電容耦合來(lái)傳輸信號(hào)。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(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(shù)，在恒定電流下隨時(shí)間降低。這主要是由于 PN 結(jié)的電應(yīng)力和熱應(yīng)力。這對(duì)光耦合器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和運(yùn)行有影響，尤其是在高溫運(yùn)行時(shí)。設(shè)計(jì)師可以通過(guò)做幾件事來(lái)補(bǔ)償老化：
減少實(shí)際運(yùn)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(dāng)然，這些操作限制了用例，因?yàn)楦綦x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(méi)有這樣的物理限制。由于 optos 主要通過(guò)切換 PN 結(jié)二極管來(lái)工作，因此它們的切換速率相對(duì)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(shì)和 CMOS 數(shù)字隔離器在帶寬和功耗日益增長(zhǎng)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(jiàn)的隔離應(yīng)用是在工業(yè)市場(chǎng)——工廠自動(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(jī)控制的逆變器和不間斷電源 (UPS) 等設(shè)備中。工業(yè)自動(dòng)化是隔離器的市場(chǎng)，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員看重 CMOS 隔離器帶來(lái)的高溫運(yùn)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(duì)于這個(gè)市場(chǎng)，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(fèi)。事實(shí)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(jìn)一步減小，因?yàn)椴辉傩枰加每臻g的散熱器。與光電相比，CMOS 數(shù)字隔離器技術(shù)對(duì)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(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，因此切換速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合更小的幾何尺寸和標(biāo)準(zhǔn) 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(shì)，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(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(lái)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(guò)程，它更適合光學(xué)操作而不是快速和準(zhǔn)確的設(shè)備。
數(shù)字隔離器的另一個(gè)快速新興市場(chǎng)是汽車。雖然傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機(jī) (ICE) 的汽車幾乎不使用任何隔離器，但隨著電動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 和 EV 都采用 200V 至 400V 的高壓電池，未來(lái)計(jì)劃采用更高的電壓以實(shí)現(xiàn)更高的功率和/或容量，從而限度地延長(zhǎng)每次充電的距離。這種高壓電池需要使用隔離器來(lái)確保車輛內(nèi)不同電壓域之間的安全和信號(hào)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(jì)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?yàn)樗哂谐錾母邷剡\(yùn)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(dòng) EV/HEV 市場(chǎng)對(duì)隔離器的需求。
Optos 仍然占據(jù)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(shù)據(jù)速率至少為 1 Mbps 的隔離器產(chǎn)品和柵極驅(qū)動(dòng)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?cè)谑袌?chǎng)上仍有一些優(yōu)勢(shì)。的優(yōu)勢(shì)是 optos 幾十年來(lái)一直是事實(shí)上的解決方案；設(shè)計(jì)師對(duì)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(shè)備。
數(shù)字隔離器與早的實(shí)施相比已經(jīng)取得了長(zhǎng)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(dāng)于 2.5 kV 的隔離額定值）。今天，數(shù)字隔離器有加強(qiáng)型和雙重絕緣額定值（5 kV 或更高），在提供安全性方面被認(rèn)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(shì)，例如在工廠車間存在高電磁場(chǎng)發(fā)生器（例如重型感應(yīng)電機(jī)）并且電子系統(tǒng)需要耐受此類外部場(chǎng)。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(duì)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(shù)字隔離器的優(yōu)缺點(diǎn)。
數(shù)字隔離器產(chǎn)品的增長(zhǎng)率大約是整個(gè)隔離器市場(chǎng)的兩倍，這表明終用戶越來(lái)越有信心將他們的設(shè)計(jì)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(diǎn)擊放大合規(guī)性和安全標(biāo)準(zhǔn)隔離安全標(biāo)準(zhǔn)在向終用戶保證他們選擇的隔離解決方案已經(jīng)過(guò)通用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(rèn)識(shí)到終受益者是終用戶，因此合作定義了一個(gè)新的合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)不僅是一個(gè)傳下來(lái)的光電標(biāo)準(zhǔn)，而且是一個(gè)真正適應(yīng)制造和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)光耦合器和 CMOS 數(shù)字隔離器之間的區(qū)別。這個(gè)新的 VDE 0884-11 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)是一個(gè)有效的規(guī)范。此外，即將發(fā)布的 IEC 版本標(biāo)準(zhǔn) IEC 60747-17 將在很大程度上減輕客戶的擔(dān)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(jì)人員提供了優(yōu)于傳統(tǒng)光電器件的幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。正如我們所見(jiàn)，這些優(yōu)勢(shì)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(lái)繼續(xù)推動(dòng)其他市場(chǎng)的創(chuàng)新。
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