【技术】浅述数字隔离器光耦的区别和优缺点

时间： 2023-10-11 来源：先进光半导体知乎

光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离。光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起。光耦隔离电路使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的干扰，特别是低压的控制电路与外部高压电路之间。

数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所无法比拟的巨大优势。

多年来，工业、医疗和其他隔离系统的设计人员实现安全隔离的手段有限，唯一合理的选择是光耦合器。如今，数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。了解数字隔离器三个关键要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。这三个要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法。

光耦的老化特性相当明显，在恒定电流下LED的量子效率（定义为总电子量与入射光子的比值）随着时间衰减，这是因为PN接面的电气和温度应力渐增的原因。这将影响光耦合器的长期稳定性和操作，特别是在高温操作环境更加明显。设计者可以藉由一些方法推迟老化：

缩短实际使用寿命；

调降二极管的电流和环境温度；

避免瞬间极大电流。

当然，上述这些操作方法限制了使用案例，即使隔离器在本体存在这种条件的系统中最为有用。数字隔离器则没有这些物理限制。光耦透过PN接面的二极管产生作用，所以转换速率相对较慢。因此，光耦的数据传输率较慢，传输延迟和偏移也更加明显。

产业趋势和CMOS数字隔离器

在带宽需求和耗电量日渐成长的情况下，以CMOS为基础的数字隔离器提供一个理想的解决方案。隔离应用在工业市场中最为常见，例如工厂自动化、制程控制、可程序化逻辑控制器（PLC）或可编程自动化控制器（PAC）、马达驱动控制和不间断电源（UPS）等设备。工业自动化是隔离器的最大市场，工业系统设计者们非常重视CMOS隔离器所带来的好处，包括高温环境操作、优异的组件匹配性、减少偏移和高耐噪性。

其他重要应用包括用于电信基地台和服务器的隔离电源，这些都为日新月异的因特网世界提供基础设施动力。隔离电源制造商是数字技术的早期采用者，这些电源主要应用于服务器和电信基地台。功率密度是市场上的关键参数，或称为W/mm3，有助于全球绿色组织倡导环境保护，提升能源使用效率并减少耗损。事实证明，高效能系统意味着更少的热能损失，因为不需要继续使用大型的散热片占用空间，所以能够进一步缩小系统尺寸。相较于光耦，CMOS数字隔离器技术的最大影响在于这些新型隔离组件的时序特性。

数字隔离器也在汽车产业中开创了新兴市场，尽管传统的标准内燃机（ICE）驱动汽车几乎不采用隔离器，但自从EV问世以来，这些应用逐渐改变。目前EV或各式各样的混合动力车辆（HEV）通常配置200V~400V高电压电池，未来的产业趋势采用更高电压的电池，藉此达到更高的功率和/或电池容量以及续航力。这种高电压电池必须使用隔离器，确保汽车内不同电压场域的安全性和讯号传输。许多汽车制造大厂竞相投入EV/HEV布局，为了优化高温操作、稳定性和抗噪性，汽车产业成为数字隔离器技术的采用先驱。EV/HEV的终端应用如电池管理系统（BMS）和充电器，加速推动市场上对隔离器的需求。

光耦占据了隔离器市场的绝大部分，甚至在高性能市场（数据速率至少为1Mbps的隔离器产品和闸极驱动器等特定产品）也是如此。尽管光耦受限于固有的性能缺陷，在市场上仍然具备一些优势。最大的优势，为几十年来光耦一直是实务上的解决方案，设计人员对使用光耦感到放心和更加安全，毕竟隔离器属于安全组件。

光耦的主要优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，无触点，PN结因电流或温度寿命不如数字隔离器，这种情形下，速度与功耗(缺点)，带宽时序不如数字隔离器；数字隔离器用编码来表达逻辑高电平和逻辑低电平，抗高温噪音好如汽车产业,CMTI远优于光耦。光耦不受外部电磁场干扰,数字隔离器对外部电磁场具有高度隔离性,也就是说在电磁干扰上不如光耦。隔离器共模瞬态抗扰度(CMTI)是指隔离器抑制快速共模瞬变的能力，通常测量单位是kV/μs。

先进光半导体由南方先进联合日本归国华侨杨振林博士团队合资成立，以南方先进为主要投资方、杨博士团队为技术核心的一家专业从事光电器件、光耦合器、光耦继电器等光电集成电路以及光电驱动等产品，研发团队涵盖设计、制造、销售和服务的高新技术企业，先进光半导体拥有先进的光电器件全自动生产线，具有年产8000万只光电光耦器件的生产能力。现阶段先进光半导体的光耦继电器、光耦合器等主要产品用于：蓄电系统、智能电表、自动检测设备、电信设备、测量仪器、医疗设备、通信设备、PC端、安防监控、O/A设备、PLC控制器、I/O控制板等，依托于光半导体综合的设计技术和芯片制造技术优势，先进光半导体期望在有广阔发展前景的光电控制领域深耕，逐步提升产品的技术附加值，扩充技术含量更高的产品线。

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