【導讀】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，并避免在系統的兩個部分之間形成直流導通路徑，同時仍支持在這兩個部分之間進行信號和/或電源傳輸。提供電隔離的半導體器件稱為“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，并避免在系統的兩個部分之間形成直流導通路徑，同時仍支持在這兩個部分之間進行信號和/或電源傳輸。提供電隔離的半導體器件稱為“隔離器”。光耦合器是率先被引入半導體行業的隔離器之一，并作為專有隔離技術，幾十年來一直占據著該行業的主導地位。隨著過去二十年來半導體技術的發展，許多其他隔離技術（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。在眾多同類技術中，TI 基于二氧化硅 (SiO2) 電容器的數字隔離技術可提供卓越的性能，尤其是在高額定電壓、電氣特性、開關特性和可靠性方面具有出色表現。此白皮書就各種性能參數將 TI 數字隔離器與一些常用的光耦合器進行了比較。
1、隔離器結構
雖然電容式數字隔離器和光耦合器的功能相似，但它們在結構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）傳輸數字或模擬信息。一些光耦合器使用環氧樹脂作為絕緣材料，其介電強度比空氣稍好，如圖 1-1 中所示。另一方面，電容式數字隔離器由兩個使用 SiO2 作為電介質的串聯隔離電容器構成，如圖 1-2 中所示。SiO2 是絕緣材料中介電強度最高的材料之一，與同類隔離技術使用的電介質相比，它的介電強度明顯更強，如表 1-1 中所示。
圖 1-2. TI 數字隔離器的結構
表 1-1. 各種絕緣材料的介電強度
2、開關性能
隔離器廣泛用于許多需要對數據、控制或狀態信號進行隔離的工業和汽車應用。為了能夠及時處理隔離的數據、控制或狀態信號，隔離器需要具有出色的開關特性，從而更大限度降低該器件對整體系統時序性能的影響。光耦合器的開關特性非常差，而數字隔離器可以提供出色的開關特性，使更多的系統能夠滿足性能要求。
數據表通常不會說明通用光耦合器支持的數據速率，因此很難知道它們是否適合給定的應用。大部分光耦合器還具有集電極開路輸出，因此，它們只有少數幾個上拉/負載電阻特征值。TI 全新的一款數字隔離器 ISO6741 在數據表中明確指明了其支持的最大數據速率為 50Mbps，因此很容易知道這款器件是否適用于給定的應用。與光耦合器不同，數字隔離器不需要任何外部上拉電阻器即可運行，并且最大數據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 數字隔離器的時序規格。此外還使用數據表中的時序規格估算了異步和同步數據速率。可以明顯看出，使用通用光耦合器實現的數據速率遠低于使用數字隔離器實現的數據速率。還需要注意的是，與數字隔離器相比，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用。
表 2-1. 通用光耦合器與 TI 數字隔離器的時序規格
* 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特性。表 2-2 將典型的高速光耦合器與 TI 數字隔離器進行了比較，其中這些器件的異步和同步數據速率是使用各自數據表中給出的時序規格估算得出的。如比較表中所示，與高速光耦合器相比，數字隔離器可以支持更高的數據速率。
表 2-2. 高速光耦合器與 TI 數字隔離器的時序規格
3、通過 TDDB 測試預測隔離器壽命
時間依賴性電介質擊穿 (TDDB) 測試是一種業界通用的加速應力測試，用于確定電介質壽命與電壓間的函數關系。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力電壓，并監測擊穿電介質所需的時間。然后，將這些電壓與時間的坐標繪制在適當的圖上，并根據這些坐標推算更低的應力電壓，從而確定適當工作電壓下的預期電介質壽命。
圖 3-1 將 TI 數字隔離器的 TDDB 圖與常用的光耦合器進行了比較，可以了解到，光耦合器的平均 TDDB 線比數字隔離器的平均 TDDB 在對數坐標中低約 2 格（相當于 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度差異很大（請參閱：表 1-1）。還可以發現，在給定的應力電壓下，光耦合器的壽命因樣片不同而有很大差別，而數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換為光，然后再轉換回電信號，從而實現隔離。因此，可用于絕緣的電介質僅限于光學透明介質（如空氣和環氧樹脂）。由于空氣和環氧樹脂的介電強度非常低，因此它們在單通道封裝中會占據相當大的空間，從而限制了每個光耦合器器件中可容納的最大通道數。
同樣，數字隔離器使用 SiO2 作為電介質，這種介質具有明顯更高的介電強度，但占用的空間非常小，可實現單個隔離通道，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，從而實現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字隔離器 ISO7762，顯示了在寬體 SOIC-16 封裝中實現的最高通道密度。
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，其中大部分參數通常在數據表中并沒有提及。電流傳輸比 (CTR) 是一種準確表示老化現象的參數。圖 5-1 顯示了 CTR 下降與測試時間之間的函數關系，詳見 Toshiba 的《晶體管耦合器的基本特性和應用電路設計》 應用手冊。
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行的水平，從而導致可靠性降低（時基故障率高且 MTBF 短）。與光耦合器不同，數字隔離器的隔離和控制電路通過良好調整，最大限度降低老化對性能的影響。器件數據表中也在最小值/最大值規格中增加了老化參數。數字隔離器的制造工藝受到嚴格控制，因此可實現超高的可靠性（時基故障率低且 MTBF 長）。
圖 5-1. 標準化 CTR 與測試時間間的關系
6、共模瞬態抗擾度 (CMTI)
許多應用（例如光伏逆變器）在轉換或調節時具有很高的開關電壓，會導致高共模開關噪聲，還有其他應用（例如電機驅動器）具有感性負載，會導致高振鈴噪聲。在隔離器上出現的這些共模噪聲可能會耦合到器件的內部電路中，并干擾器件正常運行。
為防止此類噪聲對內部電路造成影響，可采用的一種方法是實現具有良好共模噪聲抑制能力的差分設計。光耦合器采用單端通道設計，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字隔離器 CMOS 電壓輸入間的關系
所有光耦合器輸入都是由電流驅動的，需要大于 2mA 的穩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用性能要求。因此，光耦合器不太適合直接由 TTL 或 CMOS 輸出進行驅動，而是需要一個緩沖器來驅動。
光耦合器也不適合用于低壓數字電路（低于 3.3V），因為光耦合器的性能會隨著輸入電壓的細微改變而急劇變化。ISO6741 等數字隔離器可以提供由電壓驅動的高阻抗 CMOS 輸入。CMOS 輸入消耗的最大穩定電流為±10µA，因此可以直接由 TLL/COMS 輸出進行驅動，而無需任何外部緩沖器。因此，這類器件具有更好的兼容性，可直接與大多數其他數字器件（例如 MCU、ADC 等等）連接。
數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。數字隔離器的輸入電容（ISO6741 大約為 1.3pF）遠遠低于光耦合器的輸入電容（典型的高速光耦合器大約為 60pF），因此前者的開關切換比后者更快、更容易。
8、結論
光耦合器是最早應用于各種數據隔離應用的隔離器之一。它們有很長一段時間在業界占據了主導地位，但由于無法滿足當前的時間性能需求，它們的受歡迎度和接受度正急劇下降。數字隔離器在各種應用中迅速取代光耦合器，而 TI 的高性能數字隔離器彌補了光耦合器的短板，滿足當前行業內的性能需求。
人們了解 TI 數字隔離器的各種性能參數后，將其與通用型和高速光耦合器進行比較。主要關注的是隔離器結構、TDDB 壽命、開關性能、解決方案尺寸、老化和可靠性、CMTI 和 CMOS 電壓輸入等特性。結果表明，TI 數字隔離器在所有這些方面都優于光耦合器，并且正在迅速取代傳統的光耦合器。
（來源：德州儀器）
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