詳細(xì)解讀數(shù)字隔離器替代光耦合器的解決方案

電隔離（通常簡(jiǎn)稱為隔離）可以阻止直流電流和有害交流電流，并避免在系統(tǒng)的兩個(gè)部分之間形成直流導(dǎo)通路徑，同時(shí)仍支持在這兩個(gè)部分之間進(jìn)行信號(hào)和/或電源傳輸。提供電隔離的半導(dǎo)體器件稱為“隔離器”。光耦合器是率先被引入半導(dǎo)體行業(yè)的隔離器之一，并作為專有隔離技術(shù)，幾十年來(lái)一直占據(jù)著該行業(yè)的主導(dǎo)地位。隨著過(guò)去二十年來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，許多其他隔離技術(shù)（例如電容隔離和磁隔離）也能提供與光耦合器類似的功能，并具有更好的整體性能。在眾多同類技術(shù)中，TI 基于二氧化硅 (SiO2) 電容器的數(shù)字隔離技術(shù)可提供卓越的性能，尤其是在高額定電壓、電氣特性、開(kāi)關(guān)特性和可靠性方面具有出色表現(xiàn)。此白皮書(shū)就各種性能參數(shù)將 TI 數(shù)字隔離器與一些常用的光耦合器進(jìn)行了比較。

1、隔離器結(jié)構(gòu)

雖然電容式數(shù)字隔離器和光耦合器的功能相似，但它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和工作原理上有很大的不同。光耦合器使用 LED 來(lái)跨隔離（或絕緣）層（通常只是空氣間隙）傳輸數(shù)字或模擬信息。一些光耦合器使用環(huán)氧樹(shù)脂作為絕緣材料，其介電強(qiáng)度比空氣稍好，如圖 1-1 中所示。另一方面，電容式數(shù)字隔離器由兩個(gè)使用 SiO2 作為電介質(zhì)的串聯(lián)隔離電容器構(gòu)成，如圖 1-2 中所示。SiO2 是絕緣材料中介電強(qiáng)度最高的材料之一，與同類隔離技術(shù)使用的電介質(zhì)相比，它的介電強(qiáng)度明顯更強(qiáng)，如表 1-1 中所示。

圖 1-2. TI 數(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)

表 1-1. 各種絕緣材料的介電強(qiáng)度

2、開(kāi)關(guān)性能

隔離器廣泛用于許多需要對(duì)數(shù)據(jù)、控制或狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行隔離的工業(yè)和汽車應(yīng)用。為了能夠及時(shí)處理隔離的數(shù)據(jù)、控制或狀態(tài)信號(hào)，隔離器需要具有出色的開(kāi)關(guān)特性，從而更大限度降低該器件對(duì)整體系統(tǒng)時(shí)序性能的影響。光耦合器的開(kāi)關(guān)特性非常差，而數(shù)字隔離器可以提供出色的開(kāi)關(guān)特性，使更多的系統(tǒng)能夠滿足性能要求。

數(shù)據(jù)表通常不會(huì)說(shuō)明通用光耦合器支持的數(shù)據(jù)速率，因此很難知道它們是否適合給定的應(yīng)用。大部分光耦合器還具有集電極開(kāi)路輸出，因此，它們只有少數(shù)幾個(gè)上拉/負(fù)載電阻特征值。TI 全新的一款數(shù)字隔離器 ISO6741 在數(shù)據(jù)表中明確指明了其支持的最大數(shù)據(jù)速率為 50Mbps，因此很容易知道這款器件是否適用于給定的應(yīng)用。與光耦合器不同，數(shù)字隔離器不需要任何外部上拉電阻器即可運(yùn)行，并且最大數(shù)據(jù)速率不會(huì)被外部元件所限制。

表 2-1 比較了通用光耦合器和 TI 數(shù)字隔離器的時(shí)序規(guī)格。此外還使用數(shù)據(jù)表中的時(shí)序規(guī)格估算了異步和同步數(shù)據(jù)速率?？梢悦黠@看出，使用通用光耦合器實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)低于使用數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。還需要注意的是，與數(shù)字隔離器相比，光耦合器的兩個(gè)上拉電阻器選件（RL = 100Ω 和 RL = 1.9kΩ）會(huì)消耗更高的電流，因此不適合用于許多應(yīng)用。

表 2-1. 通用光耦合器與 TI 數(shù)字隔離器的時(shí)序規(guī)格

* 估計(jì)值

與通用光耦合器相比，高速光耦合器具有更好的開(kāi)關(guān)特性。表 2-2 將典型的高速光耦合器與 TI 數(shù)字隔離器進(jìn)行了比較，其中這些器件的異步和同步數(shù)據(jù)速率是使用各自數(shù)據(jù)表中給出的時(shí)序規(guī)格估算得出的。如比較表中所示，與高速光耦合器相比，數(shù)字隔離器可以支持更高的數(shù)據(jù)速率。

表 2-2. 高速光耦合器與 TI 數(shù)字隔離器的時(shí)序規(guī)格

3、通過(guò) TDDB 測(cè)試預(yù)測(cè)隔離器壽命

時(shí)間依賴性電介質(zhì)擊穿 (TDDB) 測(cè)試是一種業(yè)界通用的加速應(yīng)力測(cè)試，用于確定電介質(zhì)壽命與電壓間的函數(shù)關(guān)系。該測(cè)試會(huì)在器件的隔離柵上施加比器件典型工作電壓更高的各種應(yīng)力電壓，并監(jiān)測(cè)擊穿電介質(zhì)所需的時(shí)間。然后，將這些電壓與時(shí)間的坐標(biāo)繪制在適當(dāng)?shù)膱D上，并根據(jù)這些坐標(biāo)推算更低的應(yīng)力電壓，從而確定適當(dāng)工作電壓下的預(yù)期電介質(zhì)壽命。

圖 3-1 將 TI 數(shù)字隔離器的 TDDB 圖與常用的光耦合器進(jìn)行了比較，可以了解到，光耦合器的平均 TDDB 線比數(shù)字隔離器的平均 TDDB 在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中低約 2 格（相當(dāng)于 100 倍）。兩種器件的 TDDB 壽命差異巨大的主要原因在于，它們所用絕緣材料的介電強(qiáng)度差異很大（請(qǐng)參閱：表 1-1）。還可以發(fā)現(xiàn)，在給定的應(yīng)力電壓下，光耦合器的壽命因樣片不同而有很大差別，而數(shù)字隔離器各個(gè)樣片的壽命是一致的。

圖 3-1. 光電耦合器與 TI 數(shù)字隔離器的 TDDB 壽命

4 解決方案尺寸

光耦合器的工作原理是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光，然后再轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)隔離。因此，可用于絕緣的電介質(zhì)僅限于光學(xué)透明介質(zhì)（如空氣和環(huán)氧樹(shù)脂）。由于空氣和環(huán)氧樹(shù)脂的介電強(qiáng)度非常低，因此它們?cè)趩瓮ǖ婪庋b中會(huì)占據(jù)相當(dāng)大的空間，從而限制了每個(gè)光耦合器器件中可容納的最大通道數(shù)。

同樣，數(shù)字隔離器使用 SiO2 作為電介質(zhì)，這種介質(zhì)具有明顯更高的介電強(qiáng)度，但占用的空間非常小，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)隔離通道，因此可以將多個(gè)通道輕松集成到一個(gè)小型封裝中。典型的單通道光耦合器通常采用 3.7mm x 4.55mm的封裝尺寸，而采用 SSOP 封裝的 ISO7762 則可以在 4mm x 5mm 的小型封裝中容納 6 個(gè)高性能通道。

圖 4-1 比較了八個(gè)單通道光耦合器和四個(gè)雙通道光耦合器（每個(gè)雙通道光耦合器采用兩個(gè) ISO6741 器件，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)八通道隔離解決方案）所占用的空間。該圖旁邊是六通道數(shù)字隔離器 ISO7762，顯示了在寬體 SOIC-16 封裝中實(shí)現(xiàn)的最高通道密度。

圖 4-1. 比較采用 ISO6741 和 ISO7762 的光耦合器所占用的空間

5、老化和可靠性

眾所周知，LED 的實(shí)際光輸出會(huì)隨著時(shí)間而下降。光輸出的下降會(huì)影響光耦合器器件的許多參數(shù)，其中大部分參數(shù)通常在數(shù)據(jù)表中并沒(méi)有提及。電流傳輸比 (CTR) 是一種準(zhǔn)確表示老化現(xiàn)象的參數(shù)。圖 5-1 顯示了 CTR 下降與測(cè)試時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，詳見(jiàn) Toshiba 的《晶體管耦合器的基本特性和應(yīng)用電路設(shè)計(jì)》 應(yīng)用手冊(cè)。

在光耦合器使用壽命的某個(gè)時(shí)刻，CTR 會(huì)下降到器件無(wú)法正常運(yùn)行的水平，從而導(dǎo)致可靠性降低（時(shí)基故障率高且 MTBF 短）。與光耦合器不同，數(shù)字隔離器的隔離和控制電路通過(guò)良好調(diào)整，最大限度降低老化對(duì)性能的影響。器件數(shù)據(jù)表中也在最小值/最大值規(guī)格中增加了老化參數(shù)。數(shù)字隔離器的制造工藝受到嚴(yán)格控制，因此可實(shí)現(xiàn)超高的可靠性（時(shí)基故障率低且 MTBF 長(zhǎng)）。

圖 5-1. 標(biāo)準(zhǔn)化 CTR 與測(cè)試時(shí)間間的關(guān)系

6、共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)

許多應(yīng)用（例如光伏逆變器）在轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)時(shí)具有很高的開(kāi)關(guān)電壓，會(huì)導(dǎo)致高共模開(kāi)關(guān)噪聲，還有其他應(yīng)用（例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）具有感性負(fù)載，會(huì)導(dǎo)致高振鈴噪聲。在隔離器上出現(xiàn)的這些共模噪聲可能會(huì)耦合到器件的內(nèi)部電路中，并干擾器件正常運(yùn)行。

為防止此類噪聲對(duì)內(nèi)部電路造成影響，可采用的一種方法是實(shí)現(xiàn)具有良好共模噪聲抑制能力的差分設(shè)計(jì)。光耦合器采用單端通道設(shè)計(jì)，無(wú)共模噪聲抑制電路，因此其接收器易受外部共模噪聲的影響。

即使采用內(nèi)部法拉第屏蔽，典型的高速光耦合器支持的最低 CMTI 也僅為 ±20kV/μs。相比之下，ISO6741 采用差分隔離通道設(shè)計(jì)并搭載共模噪聲抑制能力很高的接收器，因此其最低 CMTI 為 ±50kV/μs。

7、光耦合器電流輸入與數(shù)字隔離器 CMOS 電壓輸入間的關(guān)系

所有光耦合器輸入都是由電流驅(qū)動(dòng)的，需要大于 2mA 的穩(wěn)定偏置電流才能使器件工作。許多光耦合器可能需要大于 10mA 的輸入電流才能滿足基本的應(yīng)用性能要求。因此，光耦合器不太適合直接由 TTL 或 CMOS 輸出進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而是需要一個(gè)緩沖器來(lái)驅(qū)動(dòng)。

光耦合器也不適合用于低壓數(shù)字電路（低于 3.3V），因?yàn)楣怦詈掀鞯男阅軙?huì)隨著輸入電壓的細(xì)微改變而急劇變化。ISO6741 等數(shù)字隔離器可以提供由電壓驅(qū)動(dòng)的高阻抗 CMOS 輸入。CMOS 輸入消耗的最大穩(wěn)定電流為±10μA，因此可以直接由 TLL/COMS 輸出進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而無(wú)需任何外部緩沖器。因此，這類器件具有更好的兼容性，可直接與大多數(shù)其他數(shù)字器件（例如 MCU、ADC 等等）連接。

數(shù)字隔離器還可以在各種不同的電源和邏輯電壓電平下工作，而且支持 1.8V 低壓運(yùn)行。另外，輸入電源電壓或邏輯電壓電平的一些變化不會(huì)對(duì)輸出邏輯電壓電平造成影響。數(shù)字隔離器的輸入電容（ISO6741 大約為 1.3pF）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光耦合器的輸入電容（典型的高速光耦合器大約為 60pF），因此前者的開(kāi)關(guān)切換比后者更快、更容易。

8、結(jié)論

光耦合器是最早應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)隔離應(yīng)用的隔離器之一。它們有很長(zhǎng)一段時(shí)間在業(yè)界占據(jù)了主導(dǎo)地位，但由于無(wú)法滿足當(dāng)前的時(shí)間性能需求，它們的受歡迎度和接受度正急劇下降。數(shù)字隔離器在各種應(yīng)用中迅速取代光耦合器，而 TI 的高性能數(shù)字隔離器彌補(bǔ)了光耦合器的短板，滿足當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的性能需求。

人們了解 TI 數(shù)字隔離器的各種性能參數(shù)后，將其與通用型和高速光耦合器進(jìn)行比較。主要關(guān)注的是隔離器結(jié)構(gòu)、TDDB 壽命、開(kāi)關(guān)性能、解決方案尺寸、老化和可靠性、CMTI 和 CMOS 電壓輸入等特性。結(jié)果表明，TI 數(shù)字隔離器在所有這些方面都優(yōu)于光耦合器，并且正在迅速取代傳統(tǒng)的光耦合器。

編輯：hfy