【導(dǎo)讀】電隔離（通常簡稱為隔離）可以阻止直流電流和有害交流電流，并避免在系統(tǒng)的兩個部分之間形成直流導(dǎo)通路徑，同時仍支持在這兩個部分之間進(jìn)行信號和/或電源傳輸。提供電隔離的半導(dǎo)體器件稱為“隔離器”。
摘要
電隔離（通常簡稱為隔離）可以阻止直流電流和有害交流電流，并避免在系統(tǒng)的兩個部分之間形成直流導(dǎo)通路徑，同時仍支持在這兩個部分之間進(jìn)行信號和/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)，幾十年來一直占據(jù)著該行業(yè)的主導(dǎo)地位。隨著過去二十年來半導(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、開關(guān)特性和可靠性方面具有出色表現(xiàn)。此白皮書就各種性能參數(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，但它們在結(jié)構(gòu)和工作原理上有很大的不同。光耦合器使用 LED 來跨隔離（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、開關(guān)性能
隔離器廣泛用于許多需要對數(shù)據(jù)、控制或狀態(tài)信號進(jìn)行隔離的工業(yè)和汽車應(yīng)用。為了能夠及時處理隔離的數(shù)據(jù)、控制或狀態(tài)信號，隔離器需要具有出色的開關(guān)特性，從而更大限度降低該器件對整體系統(tǒng)時序性能的影響。光耦合器的開關(guān)特性非常差，而數(shù)字隔離器可以提供出色的開關(guān)特性，使更多的系統(tǒng)能夠滿足性能要求。
數(shù)據(jù)表通常不會說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路輸出，因此，它們只有少數(shù)幾個上拉/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)字隔離器的時序規(guī)格。此外還使用數(shù)據(jù)表中的時序規(guī)格估算了異步和同步數(shù)據(jù)速率。可以明顯看出，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，光耦合器的兩個上拉電阻器選件（RL = 100Ω 和 RL = 1.9kΩ）會消耗更高的電流，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)字隔離器的時序規(guī)格
* 估計值
與通用光耦合器相比，高速光耦合器具有更好的開關(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)字隔離器的時序規(guī)格
3、通過 TDDB 測試預(yù)測隔離器壽命
時間依賴性電介質(zhì)擊穿 (TDDB) 測試是一種業(yè)界通用的加速應(yīng)力測試，用于確定電介質(zhì)壽命與電壓間的函數(shù)關(guān)系。該測試會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)測擊穿電介質(zhì)所需的時間。然后，將這些電壓與時間的坐標(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轉(zhuǎn)換為光，然后再轉(zhuǎn)換回電信號，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)氧樹脂）。由于空氣和環(huán)氧樹脂的介電強(qiáng)度非常低，因此它們在單通道封裝中會占據(jù)相當(dāng)大的空間，從而限制了每個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)單個隔離通道，因此可以將多個通道輕松集成到一個小型封裝中。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 個高性能通道。
圖 4-1 比較了八個單通道光耦合器和四個雙通道光耦合器（每個雙通道光耦合器采用兩個 ISO6741 器件，從而實(shí)現(xiàn)一個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)際光輸出會隨著時間而下降。光輸出的下降會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 下降與測試時間之間的函數(shù)關(guān)系，詳見 Toshiba 的《晶體管耦合器的基本特性和應(yīng)用電路設(shè)計》 應(yīng)用手冊。
在光耦合器使用壽命的某個時刻，CTR 會下降到器件無法正常運(yùn)行的水平，從而導(dǎo)致可靠性降低（時基故障率高且 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良好調(diào)整，最大限度降低老化對性能的影響。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（時基故障率低且 MTBF 長）。
圖 5-1. 標(biāo)準(zhǔn)化 CTR 與測試時間間的關(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)時具有很高的開關(guān)電壓，會導(dǎo)致高共模開關(guān)噪聲，還有其他應(yīng)用（例如電機(jī)驅(qū)動器）具有感性負(fù)載，會導(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。光耦合器采用單端通道設(shè)計，無共模噪聲抑制電路，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，而是需要一個緩沖器來驅(qū)動。
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S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，而無需任何外部緩沖器。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對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。它們有很長一段時間在業(yè)界占據(jù)了主導(dǎo)地位，但由于無法滿足當(dāng)前的時間性能需求，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。
（來源：德州儀器）
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