【導讀】為電子控制設備和操作員提供高壓安全保護具有相對較高地電位差的子系統之間的有效通信防止電噪聲破壞敏感信號這些挑戰可以通過在電路設計中引入電流隔離器來解決。電流隔離器是在沒有任何電流流過絕緣屏障的情況下耦合電氣數據或控制信號的設備，從而使信號能夠在阻擋噪聲的同時傳輸。絕緣屏障還可以保護設備和操作人員免受高壓影響。
在工業自動化、電信基站電源和電動汽車 (EV) 車載充電器 (OBC) 等各種應用中，現代電子系統的設計面臨著一系列獨特的挑戰：
為電子控制設備和操作員提供高壓安全保護具有相對較高地電位差的子系統之間的有效通信防止電噪聲破壞敏感信號這些挑戰可以通過在電路設計中引入電流隔離器來解決。電流隔離器是在沒有任何電流流過絕緣屏障的情況下耦合電氣數據或控制信號的設備，從而使信號能夠在阻擋噪聲的同時傳輸。絕緣屏障還可以保護設備和操作人員免受高壓影響。
光耦合隔離器早的隔離器是光耦合器件，也稱為光隔離器或光耦合器，簡稱“opto”。批光電于 1960 年代發布。早的形式包括初級側的微型白熾發光燈泡、用作絕緣或介電層以及光路的透明（光學透明）塑料，以及次級側的光敏電阻，其阻值由落在其上的光量調制。后來的發展引入了更復雜的光耦合設備，使系統設計人員的工作變得更加輕松。
它們基本上都是初級側的某種發光結構（微型燈泡被基于半導體的發光二極管或 LED 取代），再加上各種形式的光敏器件，例如光敏電阻，光電晶體管、光電二極管或三端雙向可控硅開關元件，使該設備適用于一系列直流和交流應用。光電基本上是可用的解決方案，直到 1990 年代后期開發出基于 CMOS 的數字隔離器，使用電感（磁）或電容耦合來傳輸信號。圖 1 突出顯示了光耦合器和數字隔離器之間的技術差異。
圖 1光電與電容耦合 CMOS 隔離器的基本操作圖 2 顯示了光電和數字隔離器的 X 射線圖像示例，以幫助可視化這些設備的物理結構。
圖 2光耦合器組件（左）和數字隔離器組件（右）的 X 射線圖像光電的一個突出特點是老化問題。
LED 的量子效率定義為每個輸入電流電子的總光子數，在恒定電流下隨時間降低。這主要是由于 PN 結的電應力和熱應力。這對光耦合器的長期穩定性和運行有影響，尤其是在高溫運行時。設計師可以通過做幾件事來補償老化：
減少實際運行壽命降低工作二極管電流和環境溫度避免峰值瞬態電流當然，這些操作限制了用例，因為隔離器在本質上存在此類條件的系統中有用。數字隔離器沒有這樣的物理限制。由于 optos 主要通過切換 PN 結二極管來工作，因此它們的切換速率相對較慢。因此，光電器件只能提供較低的數據速率，并具有較大的傳播延遲和偏斜。
行業趨勢和 CMOS 數字隔離器在帶寬和功耗日益增長的世界中，基于 CMOS 的新型數字隔離器提供了一種理想的解決方案。常見的隔離應用是在工業市場——工廠自動化、過程控制、可編程邏輯控制器 (PLC) 或過程自動化控制器 (PAC)、用于電機控制的逆變器和不間斷電源 (UPS) 等設備中。工業自動化是隔離器的市場，工業系統設計人員看重 CMOS 隔離器帶來的高溫運行、卓越的部件間匹配、低偏斜和高抗擾度。其他大量使用的應用包括電信基站和服務器中使用的隔離電源，這些電源為我們日益互聯的世界——物聯網背后的基礎設施供電。
數字技術的早期采用者是隔離式電源制造商。這些電源主要用于服務器和電信基站。對于這個市場，關鍵的參數是功率密度，口頭禪是 W/mm 3。它幫助清潔環境的綠色倡議也要求提高效率以減少能源浪費。事實證明，擁有更高效率的系統也意味著更少的熱損失，這導致系統尺寸進一步減小，因為不再需要占用空間的散熱器。與光電相比，CMOS 數字隔離器技術對這些新型隔離器器件的時序特性的影響。
由于這些不是基于切換 LED 的 PN 結來實現信號傳輸，因此切換速率提高了一個數量級。結合更小的幾何尺寸和標準 CMOS 硅技術使用的更可重復和穩定的制造工藝所提供的優勢，傳播延遲、脈沖寬度失真或偏斜、部件間匹配和共模瞬態抗擾度等時序參數（ CMTI）得到了極大的改善。在隔離行業中，CMTI 基本上是指共模噪聲抑制能力，以電壓轉換率 kV/?s 來衡量。光電的局限性是由于涉及化合物半導體技術的制造過程，它更適合光學操作而不是快速和準確的設備。
數字隔離器的另一個快速新興市場是汽車。雖然傳統的基于內燃機 (ICE) 的汽車幾乎不使用任何隔離器，但隨著電動汽車的推出，這種情況發生了變化。目前，各種形式的混合動力電動汽車 (HEV) 和 EV 都采用 200V 至 400V 的高壓電池，未來計劃采用更高的電壓以實現更高的功率和/或容量，從而限度地延長每次充電的距離。這種高壓電池需要使用隔離器來確保車輛內不同電壓域之間的安全和信號傳輸。幾乎所有主要汽車制造商都有即將推出的 EV/HEV 推出計劃。汽車行業也被證明是數字隔離器技術的早期采用者，因為它具有出色的高溫運行、穩定性和抗噪性。電池管理系統(BMS) 和充電器正在推動 EV/HEV 市場對隔離器的需求。
Optos 仍然占據整個隔離市場的大部分份額，即使在高性能領域（大致特征為數據速率至少為 1 Mbps 的隔離器產品和柵極驅動器等專用產品）也是如此。盡管光電器件存在內在性能不足，但它們在市場上仍有一些優勢。的優勢是 optos 幾十年來一直是事實上的解決方案；設計師對使用 opto 感到很舒服，并且覺得它們更安全——畢竟，隔離器是安全設備。
數字隔離器與早的實施相比已經取得了長足的進步，早期的實施通常只提供基本的絕緣水平（大致相當于 2.5 kV 的隔離額定值）。今天，數字隔離器有加強型和雙重絕緣額定值（5 kV 或更高），在提供安全性方面被認為與光電不相上下。光電的另一個優點是它們本質上不受外部電磁 (EM) 場的影響，并且輻射的 EM 噪聲也較少。這在工業市場中是一個優勢，例如在工廠車間存在高電磁場發生器（例如重型感應電機）并且電子系統需要耐受此類外部場。與基于磁性的數字隔離器相比，基于電容的數字隔離器對外部電磁場也具有高度免疫力并且輻射水平較低。表 1 簡要說明了光電和 CMOS 數字隔離器的優缺點。
數字隔離器產品的增長率大約是整個隔離器市場的兩倍，這表明終用戶越來越有信心將他們的設計從傳統光電轉換為數字隔離器。
表 1光耦合器和數字隔離器的比較。
點擊放大合規性和安全標準隔離安全標準在向終用戶保證他們選擇的隔離解決方案已經過通用標準測試并且性能令人滿意方面發揮著重要作用。在這方面，數字隔離器制造商和光電制造商認識到終受益者是終用戶，因此合作定義了一個新的合規標準，該標準不僅是一個傳下來的光電標準，而且是一個真正適應制造和設計的標準光耦合器和 CMOS 數字隔離器之間的區別。這個新的 VDE 0884-11 標準已經是一個有效的規范。此外，即將發布的 IEC 版本標準 IEC 60747-17 將在很大程度上減輕客戶的擔憂。
基于 CMOS 的數字隔離器充分利用了的半導體技術，并為系統設計人員提供了優于傳統光電器件的幾個關鍵優勢。正如我們所見，這些優勢正在改變游戲規則，并幫助塑造了電源、綠色能源和汽車等行業的發展，并將在不久的將來繼續推動其他市場的創新。
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