光电耦合器和数字隔离器的优缺点及应用方案

为什么电路设计需要考虑电气隔离?

凡是涉及到AC-DC或中高电压DC-DC电源转换的电子电路，都需要电气隔离。电气隔离是指在电路中避免电流在两个区域之间流通，确保没有实际的电气连接，它主要有两方面的作用：

保障人员和设备的安全：电气隔离可以使一个系统上两个电路之间保持独立，比如一个电路是强电电路，另一个是弱电电路，如果没有进行电气隔离，一旦发生故障，强电电路的电流直接流到弱电电路，那将会对人员造成触电的伤害，或对电路及设备造成损害。

提高电路的抗干扰能力：电气隔离可以去除两个电路之间的接地环路，可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，让电子系统具有更高的安全性和可靠性。

电子工程师在进行电路设计时，有很多隔离方案可供选择，比如变压器和继电器等。但最有效和常用的隔离器件还是光电耦合器与数字隔离器。

光电耦合器：光电耦合器也叫光电隔离器，简称光耦，由发光源和受光器两部分组成，组装在同一个封闭的空间内。

数字隔离器：近些年发展起来的数字隔离器基于CMOS工艺，可为电子系统中数字和模拟信号的传递提供很好的电阻隔离特性。

作为专门的电气隔离器件，光耦和数字隔离器已经广泛应用在各个领域的电气和电子系统设计中。本文将主要讲述这两类器件的优缺点及其应用方案。

图一：光耦合器基本原理(来源：Wikipedia)

光耦隔离的优点和缺点

光耦是上世纪70年代发展起来的隔离器件，它以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用。由于光耦的体积小、寿命长、无触点，具备抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输信号等优点，在电子电路设计上得到了广泛应用。光耦目前已成为种类最多、用途最广的光电器件之一，包括晶体管耦合器、高速集成电路输出耦合器、三端双向可控硅耦合器以及光控继电器等，广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大及固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

速度和功耗是设计工程师最为看重的光耦参数指标。不同的应用对光耦的速度要求也有所不同，例如在通信应用中，DeviceNet规定了相对较低的数据速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，传播延迟要求小于40ns;CAN总线规定了125kBd低速和1MBd高速数据速率，但对传播延时没有严格的要求;Profibus发送数据则要求在12MBd范围内，并规定了隔离器、收发器和连接本身的PWD总延时。

在功耗方面，一些超低功耗光电耦合器产品采用独特的集成电路设计和厚绝缘层材料，在不影响隔离和绝缘性能的条件下可大幅度降低功耗，适合RS485、CANBus和I2C等通信接口、微处理器系统接口，以及A/D和D/A等模数转换应用的数字隔离。

除了速度和功耗外，光耦产品也正在趋向于低电压特性。由于越来越多的电子产品转向更低的供电电压，这也要求光耦具有低电压特性以满足系统的需求。此外，随着系统集成度不断提高，工作环境日趋严格，光耦产品的体积、工作温度也开始受到前所未有的挑战。近二三十年来，容耦、磁耦、阻耦、CMOS数字、SiO2等新型隔离器层出不穷，给光耦带来了很大的冲击，有逐渐被替代的危险。

国外和国内光耦厂商

经过近50年的发展，全球光耦产业格局已趋于稳固。日美系品牌以高阶光耦称霸市场，台系品牌垄断中低端光耦一半以上的产能，而国产光耦品牌则凭借2019年“国产替换”的风口，也逐渐走到台前。在国内市场，销售和利润占比最高的是日美系光耦，其中代表厂家有：AVAGO(安华高)、FAIRCHILD(仙童)、VISHAY(威世)、ISOCOM(安数光)、OSRAM Opto(欧司朗)、CLARE(克莱尔)、IXYS(艾赛斯)、TOSHIBA(东芝)、RENESAS(瑞萨)、NEC(日电)、PANASONIC(松下)、SHARP(夏普)、OMRON(欧姆龙)、KODENSHI(可天士)等。

而光耦出货量最大的是台系厂商，基本垄断了低阶市场50%～60%的产能，代表企业有LITE-ON(光宝)、EVERLIGHT(亿光)、CT MICRO (兆龙) 、COSMO (冠西) 、KINGBRIGHT(今台)和BRIGHT(佰鸿)等。至于国产光耦品牌，ORIENT(奥伦德)、KENTO(匡通)、重庆光电技术研究所和YD(优达光)等新秀企业正在崛起。

数字隔离的优点和缺点

直至1990年代后期，光耦基本上是市场上唯一的解决方案。由于光耦合器使用来自LED的光通过隔离屏障传输数据，因此在数据传输应用中，LED打开时为逻辑高电平 (Logic HIGH)，而关闭时为逻辑低电平(Logic LOW)，这意味着在传输的过程中会持续产生功秏。然而，以CMOS为基础的数字隔离器使用电感(磁性)或电容耦合来传输讯号，有较快速的传输响应，可以利用编码来表达逻辑高电平和逻辑低电平。因此数字隔离器能在长时间的高电平下减少功秏，同时能够处理复杂的双向接口，如485和I2C。

采用数字隔离器替代光耦具有如下好处：

提高数据速率和时序特性

集成多个隔离通道和其它功能，可缩小尺寸、降低成本

功耗比光耦节省高达90%

连接其它数字器件所需的外部元件最少

无需光耦所用的LED，提高可靠性

此外， 数字隔离器有较佳的共模瞬态抗扰度 (Common Mode Transient Immunity，CMTI)性能。CMTI对隔离效果非常重要，因为高摆率(高频率)瞬变可能会破坏隔离栅之间的数据传输。CMTI通常以千微伏每微秒 (kV/us) 为单位进行测量，指的是隔离器介于输入和输出之间拒绝噪声的能力。高CMTI意味着较强的隔离能力，数字隔离器的CMTI可达 200kV/us ， 而光耦合器普遍较低。

数字隔离的优点包括高速、长寿命、鲁棒性、良好的时序规范和更低的功耗等。但是，数字隔离元件在很多中低端应用中并不具有成本竞争力。此外，对于某些应用而言，光耦已经得到久经考验且十分可靠，数字隔离器要想替代光耦并非易事，设计人员不太愿意冒尝试新技术的风险。光学、磁性或电容隔离等不同隔离方案的选择将取决于特定客户的需求、具体细节和具体应用。这些利弊并不会随着时间的推移而发生实质性变化。

国内数字隔离器行业起步较晚，但是在市场需求推动、国产替代需求强烈等背景下，这个模拟细分市场也开始孕育出生力军。总部位于上海青浦的川土微电子专注于射频与隔离器芯片设计，产品包括射频、隔离、接口系列，目前已广泛应用于工业控制、电源能源、仪器仪表、通信网络、电力系统等诸多领域。近日，该公司发布了最新的全系列集成隔离电源的隔离器芯片，并强调通过不断的自主创新、技术突破、渠道融合取得企业的长足发展，开辟全新的局面。

近年来，虽然ADI始终占据着数字隔离市场的龙头地位，但Silicon Labs和德州仪器也通过有效的业务扩展达到了与ADI相近的水平，形成了三足鼎立的市场格局。NVE的业务增长虽然不如其他公司，不过仍十分活跃。目前，英特锡尔、美信、恩智浦、意法半导体、罗姆公司等公司也开始在市场上销售数字隔离相关产品。

本土数字隔离厂商虽然起步较晚，但乘着“国产替代”的东风，也开始迅速发展起来。产品已经量产并具有一定市场影响力的国产数字隔离器厂商有：苏州纳芯微电子、上海荣湃，以及上海川土微电子。

川土微电子推出的全系列包括集成隔离电源的隔离器芯片系列(CA-IS306X、CA-IS309X、CA-IS36XX)、基于Pulse-Coding的超低功耗电容式数字隔离器系列(CS817x)、AISG接口芯片(CA-IF4023)、±30V总线保护±15V共模输入的RS485收发器系列(CA-IF48XX、CS48XX)等。

国内首款集成隔离电源的隔离器芯片系列

川土微电子副总经理兼首席技术官恽廷华介绍，这是国内首款集成隔离电源的隔离器芯片系列，作为公司今年力推的重磅新品，能够在一颗芯片里同时完成信号隔离+电源隔离+RS-485/CAN收发器，具有SOP16-W, POD=10.3mm x 7.5mm x 2.5mm的小尺寸封装，完全突破行业现有局限。在产品设计上，具有全集成微型片上变压器、高达53%的转换效率、高隔离耐压5kVRMS等特点。该系列隔离器芯片通过内部集成变压器、高集成度的隔离电源解决方案，提升了隔离电源的耐压等级、系统可靠性及稳定性，并降低了系统设计复杂度。

其中的CA-IS36XX是增强隔离耐压并集成DC-DC转换器的一款芯片，它可替代传统用分立器件组建的隔离电源方案，并且新方案使得外形尺寸更小，能够实现完全隔离。CA-IS36XX所有器件都具有故障安全模式选项，如果输入信号丢失，则以L为后缀的芯片默认输出为低电平，以H为后缀的芯片默认输出为高电平。典型应用包括工业自动化、电机控制、医疗设备、汽车电子、仪器仪表等。

CA-IS306X是一款隔离式控制区域网络(CAN)物理层收发器，同时内部集成隔离式DC-DC转换器，具有限流、过压和接地损耗保护(–40V至40V)以及热关断功能，可防止输出短路，共模电压范围为–12V至12V。可广泛应用于CAN数据总线、工业现场网络、楼宇和温室环境控制自动化、安防系统、运输、医疗、电信等领域。

CA-IS309X是集成隔离电源的隔离式RS-485/RS-422收发器，具有高电磁抗扰度和低辐射特性，可有效防止数据总线或其他电路上的噪声和浪涌进入本地接地端，从而干扰或损坏敏感电路。高CMTI能力可以保证数字信号的正确传输，可广泛应用于隔离RS-485/RS-422通信、光伏逆变器、电机驱动器等领域。

目前该系列产品已正式对外发售。

基于专利技术Pulse-Coding的超低功耗电容式数字隔离器系列

CS817X是川土微电子基于获得授权专利的pulse-coding超低功耗容隔式数字隔离器技术打造的第三代数字隔离器系列。pulse-coding是川土微电子首创的容隔调整解调技术，已经获得专利授权，典型应用包括锂电池保护、白色家电、工业自动化、电机控制、隔离开关电源等。

该系列数字隔离芯片可应用在通信、数字电源、工控、光伏、新能源汽车等系统中，特别适合于对隔离耐压要求较高、需要加强绝缘的各类严苛应用环境。

审核编辑：汤梓红