光耦仿真器釋疑：為何要升級光耦合器技術
2023-10-31 13:51:05 德州儀器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和汽車終端設備提供安全隔離方面發揮著重要作用。然而，盡管這類器件已經取得了長足的進步，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，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基于二氧化硅 (SiO2) 的數字隔離技術，并推出了一些數字隔離器產品，這些產品具有與光耦合器相同的功能，并還帶有一些獨特的優勢。
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光耦合器的優勢和 TI 基于 SiO2 的隔離技術的優勢。光耦仿真器與業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，確保系統的安全性和穩定性，使您能夠充分利用 SiO2 隔離的優勢，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功能的潛力。通過開發這類半導體產品，我們的目標是為您提供兩全其美的選擇。
如圖 1 所示，傳統的光耦合器使用 LED 來跨隔離柵傳輸數字或模擬信息，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老化或劣化效應。LED 的這一特性給系統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，其中發送和接收電路模擬了傳統光耦合器的功能行為，同時 SiO2 提供了高壓隔離。
圖 2：TI 數字隔離器的結構
光耦仿真器的優勢
通過整合先進的隔離技術，光耦仿真器能夠克服與傳統光耦合器相關的限制，實現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勢：
· 更低的功耗。傳統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，能夠幫助您節省高達 80% 的功率預算。
· 更高的共模瞬態抗擾度 (CMTI)。數字光耦合器的 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定的精確 CTR 范圍。
· 高數據速率。典型的高速光耦合器支持 1Mbps 至 10Mbps 的數據速率，而 ISOM8710 支持 25Mbps 的數據速率。這種支持能夠實現更高的吞吐量，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反激式轉換器的瞬態響應。而由于瞬態響應得到改善，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 隔離技術的優勢融為一體。借助這些器件，您能夠滿足現代系統的需求，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，您可以優化設計，迎接隔離技術的新時代。
