【導讀】光耦合器又稱光電耦合器、光電隔離器和光隔離器，長期以來一直是設計人員尋求系統(tǒng)信號電氣隔離的一種選擇。自 20 世紀 70 年代以來，這些半導體器件在為工業(yè)和汽車終端設備提供安全隔離方面發(fā)揮著重要作用。然而，盡管這類器件已經(jīng)取得了長足的進步，但在電氣特性、高壓可靠性和集成能力方面似乎存在一定的限制，這促使設計人員探索其他替代方案。
于是，各種替代方案便開始不斷涌現(xiàn)，比如電容隔離和磁隔離等技術，這些技術提供了比光耦合器更出色的整體性能。自 21 世紀初以來，德州儀器一直在投資開發(fā)基于二氧化硅 (SiO2) 的數(shù)字隔離技術，并推出了一些數(shù)字隔離器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有與光耦合器相同的功能，并還帶有一些獨特的優(yōu)勢。
縮小差距：光耦仿真器簡介
德州儀器的光耦仿真器融合了傳統(tǒng)光耦合器的優(yōu)勢和 TI 基于 SiO2 的隔離技術的優(yōu)勢。光耦仿真器與業(yè)內最常見的光耦合器引腳對引腳兼容，有助于無縫集成到現(xiàn)有設計中，同時提供相同的信號行為。從設計工程師的角度來看，這些產(chǎn)品在外觀和行為上都與光耦合器相似，但采用了 TI 的 SiO2 技術來實現(xiàn)隔離柵。隔離柵能有效地阻止高壓信號并防止接地回路，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，使您能夠充分利用 SiO2 隔離的優(yōu)勢，包括增強的電氣特性、更出色的高壓可靠性以及集成額外系統(tǒng)功能的潛力。通過開發(fā)這類半導體產(chǎn)品，我們的目標是為您提供兩全其美的選擇。
如圖 1 所示，傳統(tǒng)的光耦合器使用 LED 來跨隔離柵傳輸數(shù)字或模擬信息，而光晶體管則在另一側檢測信號。眾所周知，光耦合器中使用的 LED 會在其使用壽命內隨時間推移而出現(xiàn)老化或劣化效應。LED 的這一特性給系統(tǒng)設計人員帶來了很大的麻煩。此外，光耦合器中使用的絕緣材料種類繁多，從空氣、環(huán)氧樹脂到模塑化合物等。表 1 清楚地展示了光耦合器與采用 SiO2 電介質的光耦仿真器在隔離強度上有何區(qū)別。
圖 1：典型的光耦合器結構
表 1：各種絕緣材料的介電強度
光耦仿真器使用 TI 基于 SiO2 的隔離柵來實現(xiàn)信號隔離，可以避免這兩個常見的光耦合器問題。圖 2 展示了光耦仿真器的內部結構，其中發(fā)送和接收電路模擬了傳統(tǒng)光耦合器的功能行為，同時 SiO2 提供了高壓隔離。
圖 2：TI 數(shù)字隔離器的結構
光耦仿真器的優(yōu)勢
通過整合先進的隔離技術，光耦仿真器能夠克服與傳統(tǒng)光耦合器相關的限制，實現(xiàn)出色的性能和可靠性。我們來討論一下光耦仿真器的幾個優(yōu)勢：
● 更低的功耗。傳統(tǒng)的光耦合器需要預先進行超裕度設計，以幫助補償 LED 不可避免的老化效應，因此需要在設計的整個壽命期間提供額外的正向電流 (IF)。TI 的光耦仿真器具有超低的 IF 和電源電流，能夠幫助您節(jié)省高達 80% 的功率預算。
● 更高的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)。數(shù)字光耦合器的 CMTI 通常約為 15kV/μs，而 ISOM8710 的最小 CMTI 為 125kV/μs，因此可以在具有超高共模開關噪聲或高振鈴噪聲的應用中使用。
● 穩(wěn)定且精確的電流傳輸比 (CTR)。不必再為獲得更精確的 CTR 范圍而支付額外費用。ISOM8110 等 TI 光耦仿真器標配各種在溫度范圍內保持穩(wěn)定的精確 CTR 范圍。
● 高數(shù)據(jù)速率。典型的高速光耦合器支持 1Mbps 至 10Mbps 的數(shù)據(jù)速率，而 ISOM8710 支持 25Mbps 的數(shù)據(jù)速率。這種支持能夠實現(xiàn)更高的吞吐量，使光耦仿真器能夠在各種高速應用中使用。
● 帶寬。ISOM8110 支持 680kHz 的高帶寬，因此能夠縮小必要磁性元件（電感器和變壓器）的尺寸。高帶寬有助于改善次級側調節(jié)反激式轉換器的瞬態(tài)響應。而由于瞬態(tài)響應得到改善，因此可以縮小輸出電容器的尺寸，從而釋放布板空間并降低整體系統(tǒng)成本，尤其是在高開關頻率的氮化鎵設計中。
● 寬溫度范圍。光耦合器支持的溫度范圍通常為 0°C 至 +85°C。雖然有些光耦合器支持更寬的溫度范圍，但這一特性會增加額外的成本。TI 的光耦仿真器標配支持 –55°C 至 +125°C 的寬工作溫度范圍，并且在 2024 年將提供更多符合汽車標準的器件。
● 可靠隔離。光耦仿真器具有更高的高壓性能，因此非常適合需要可靠隔離的應用。TI 的光耦仿真器采用 SiO2 來實現(xiàn)絕緣柵，可提供 500V/μm 的隔離能力，這遠遠超過市場上許多光耦合器中使用的空氣介質 (1V/μm)。
結語
光耦仿真器代表著信號隔離技術的重大進步，它將熟悉的光耦合器功能與 SiO2 隔離技術的優(yōu)勢融為一體。借助這些器件，您能夠滿足現(xiàn)代系統(tǒng)的需求，確保性能、可靠性和安全性得到增強。通過充分利用光耦仿真器，您可以優(yōu)化設計，迎接隔離技術的新時代。
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