關(guān)于隔離技術(shù)常見(jiàn)的誤區與過(guò)度的神話(huà)

TI 消除了對信號隔離技術(shù)（包括數字隔離器和光耦）的幾個(gè)常見(jiàn)誤解。

隨著(zhù)工業(yè)、汽車(chē)、通信和個(gè)人電子應用對可靠信號隔離的需求不斷增長(cháng)，最近的設計趨勢已經(jīng)從光耦等傳統隔離技術(shù)轉向數字隔離器。盡管數字隔離盛行，但與光耦合器相比，關(guān)于其有效性仍然有幾個(gè)常見(jiàn)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(huà)。在本文中，我將對這兩種器件的常見(jiàn)誤解進(jìn)行說(shuō)明。

什么是光耦？什么是數字隔離器？

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(lái)產(chǎn)生輸入側電流，由LED將信號轉換成光，然后通過(guò)隔離傳輸到另一側，再由光電探測器轉換為電信號。

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

光耦誤區一：光耦非?？煽?/p>

有一個(gè)常見(jiàn)的誤解，即當高壓破壞器件時(shí)，光耦合器總是會(huì )因“開(kāi)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中不同的故障模式。

在第一種故障模式下，當隔離柵上施加的電壓超過(guò)隔離器的額定限值時(shí)，隔離柵對于光耦合器和數字隔離器都可能發(fā)生短路故障。德州儀器 (TI) 在其實(shí)驗室中測試了第一個(gè)故障模式；白皮書(shū)“了解隔離器中的失效模式”具體描述了對失效短路結果的觀(guān)察。

第二種故障模式，即隔離器內的高壓和大電流破壞電路，可能導致發(fā)生故障從而打開(kāi)情況。這些高壓事件可能會(huì )導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 顯示了數字隔離器上的類(lèi)似事件。根據高壓事件的類(lèi)型和屏障的強度，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(mǎn)足或超過(guò)電氣安全標準的隔離器。

圖 1：(a) 光耦合器一側和 (b) 數字隔離器一側發(fā)生高壓事故時(shí)的橫截面。（來(lái)源：TI）

光耦誤區二：光耦的壽命是可預測的，幾乎沒(méi)有變化

對于所有電子設計，確保 IC 能夠在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內持續使用至關(guān)重要。對于隔離器件來(lái)說(shuō)尤其如此，因為它們在多個(gè)電壓域的情況下保護信號。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(zhù)差異，這通常是因為光耦的隔離柵是在封裝階段產(chǎn)生的。

數字隔離器制造商通常在更嚴格控制的硅芯片制造過(guò)程中構建其隔離屏障。圖 2 說(shuō)明了高壓壽命和變化的差異，其中高壓壽命更長(cháng)，并且此測試中使用的 TI 數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(shū)“通過(guò)用數字隔離器替換光耦合器來(lái)提高系統性能”。

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

光耦誤區三：光耦Datasheet規格將嚴格符合器件的使用壽命

您可能沒(méi)有意識到光耦中 LED 的光輸出會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低，這對電流傳輸比 (CTR) 等參數有直接影響。光耦內的塑料材質(zhì)會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而變黃，從而導致通過(guò)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行的水平，從而導致高故障率和低平均故障間隔時(shí)間。

為了抵消這一點(diǎn)，設計人員通常會(huì )設計出余量以考慮隨著(zhù)時(shí)間推移的預期退化，這可能導致更高的初始功耗。這些問(wèn)題并不總是在光耦Datasheet中提及，因此很難在隔離設計中加以考慮。例如，TI 數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格的老化，有助于在設備的整個(gè)生命周期內設定性能預期。

光耦誤區四：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，數字隔離器可以輕松支持高達 125°C 的工作溫度。對于需要高達 150°C 溫度支持的汽車(chē)設計而言，TI 的Grade-0認證ISO7741E-Q1 等數字隔離器有助于在高峰值環(huán)境溫度下提供可靠的系統運行。對于每個(gè)組件都需要在 110°C 以上可靠運行的高溫設計，較低的額定溫度可能會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。不然，系統性能或器件壽命可能會(huì )受影響。

光耦誤區五：無(wú)初級側供電意味著(zhù)功耗更低

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

光耦合器可以通過(guò)控制電壓和電流的串聯(lián)電阻器驅動(dòng)數字設備輸入，例如微控制器、模數轉換器和數模轉換器。輸入電流需要高達 10 mA 才能激活 LED 并滿(mǎn)足產(chǎn)品生命周期內的可靠性，這可能導致輸入端的高功耗。

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

圖 3：ISO7041 的電流消耗與數據速率。（來(lái)源：TI）

數字隔離器誤區一：數字隔離器更小的DTI表明隔離性能較弱

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

由于歷史安全標準，基于光耦合器技術(shù)設定了最低 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(mǎn)足當今嚴格的增強隔離認證要求。然而，實(shí)際上，隔離器勢壘的強度是 DTI 和電介質(zhì)材料的組合。

光耦的介電強度要低得多，因此需要更大的 DTI?；陔娙莸臄底指綦x器使用更高介電強度的二氧化硅，并且可以支持 DTI 低至 21 m 的增強型隔離。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，管理設備操作安全標準的組織已經(jīng)考慮到這一點(diǎn)，并更新了法規，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度。

表 1：常見(jiàn)絕緣材料的介電強度。（來(lái)源：TI）

數字隔離器誤區二：數字隔離器的成本遠高于光耦

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

數字隔離器誤區三：數字隔離器集成和節省電路板空間是有代價(jià)的

數字隔離器的最大優(yōu)勢之一是它們能夠將其他系統要求集成到同一個(gè)封裝中通用電氣控制器局域網(wǎng)、RS-485、I2C 和LVDS信號等隔離接口就是很好的例子。您可能擔心購買(mǎi)帶有集成收發(fā)器的數字隔離器會(huì )對影響預算，但事實(shí)是集成數字隔離器有很多好處，尤其是與類(lèi)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 設計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(lái)源：TI）

結論

在過(guò)去的幾十年里，數字隔離取得了長(cháng)足的進(jìn)步，現在已成為許多設計人員首選的隔離解決方案。您的設計需要可靠的信號隔離解決方案時(shí)，請記住本文中描述的誤區和事實(shí)。