隨著工業、汽車、通信和個人電子應用對可靠信號隔離的需求不斷增長，最近的設計趨勢已經從光耦等傳統隔離技術轉向數字隔離器。盡管數字隔離盛行，但與光耦合器相比，關于其有效性仍然有幾個常見誤解。同樣，關于光耦的可靠性能和壽命也存在一些誤解或神話。在本文中，我將對這兩種器件的常見誤解進行說明。

什么是光耦?什么是數字隔離器?

在探索這些之前，讓我們回顧一下這些技術之間的差異：

光耦使用邏輯輸入來產生輸入側電流，由LED將信號轉換成光，然后通過隔離傳輸到另一側，再由光電探測器轉換為電信號。

數字隔離器使用基于硅的CMOS技術，具有兩個集成電路和內置于硅工藝中的高壓電介質。數字隔離器將數字信號轉換為高頻域，并通過基于電容的高壓二氧化硅電介質屏障發送射頻信號。

光耦誤區一：光耦非常可靠

有一個常見的誤解，即當高壓破壞器件時，光耦合器總是會因“開路”電路而失效。盡管光耦有多種失效方式，但光耦合器也可能在“短路”電路中失效，具體取決于高壓系統中不同的故障模式。

在第一種故障模式下，當隔離柵上施加的電壓超過隔離器的額定限值時，隔離柵對于光耦合器和數字隔離器都可能發生短路故障。德州儀器 (TI) 在其實驗室中測試了第一個故障模式;白皮書“了解隔離器中的失效模式”具體描述了對失效短路結果的觀察。

第二種故障模式，即隔離器內的高壓和大電流破壞電路，可能導致發生故障從而打開情況。這些高壓事件可能會導致更多的電路遭到破壞，使其不再正常工作，但隔離柵卻仍然完好。

圖 1a 顯示了光耦合器上的高壓事件，圖 1b 顯示了數字隔離器上的類似事件。根據高壓事件的類型和屏障的強度，可能會發生不同程度的退化。為防止由第一種故障模式引起的短路故障，必須選擇滿足或超過電氣安全標準的隔離器。

圖 1：(a) 光耦合器一側和 (b) 數字隔離器一側發生高壓事故時的橫截面。(來源：TI)

光耦誤區二：光耦的壽命是可預測的，幾乎沒有變化

對于所有電子設計，確保 IC 能夠在產品的整個生命周期內持續使用至關重要。對于隔離器件來說尤其如此，因為它們在多個電壓域的情況下保護信號。盡管您可能期望兩個相同的光耦具有非常相似的高壓壽命，但實際上不同器件的高壓性能可能存在顯著差異，這通常是因為光耦的隔離柵是在封裝階段產生的。

數字隔離器制造商通常在更嚴格控制的硅芯片制造過程中構建其隔離屏障。圖 2 說明了高壓壽命和變化的差異，其中高壓壽命更長，并且此測試中使用的 TI 數字隔離器分布更緊密。要了解有關此主題的更多信息，請參閱白皮書“通過用數字隔離器替換光耦合器來提高系統性能”。

圖 2：光耦和數字隔離器的時間相關介電擊穿特性。(來源：TI)

光耦誤區三：光耦Datasheet規格將嚴格符合器件的使用壽命

您可能沒有意識到光耦中 LED 的光輸出會隨著時間的推移而降低，這對電流傳輸比 (CTR) 等參數有直接影響。光耦內的塑料材質會隨著時間的推移而變黃，從而導致通過隔離屏障的光減少，進一步減低傳輸率。最終，CTR 將下降到器件不再正常運行的水平，從而導致高故障率和低平均故障間隔時間。

為了抵消這一點，設計人員通常會設計出余量以考慮隨著時間推移的預期退化，這可能導致更高的初始功耗。這些問題并不總是在光耦Datasheet中提及，因此很難在隔離設計中加以考慮。例如，TI 數字隔離器使用高度可控的制造工藝，Datasheet考慮了最小或最大規格的老化，有助于在設備的整個生命周期內設定性能預期。

光耦誤區四：光耦的最高工作溫度更高

典型光耦合器的額定最高工作溫度為 85°C。盡管市場上有更高額定溫度的光耦合器，但選擇有限，而且它們通常更昂貴。相比之下，數字隔離器可以輕松支持高達 125°C 的工作溫度。對于需要高達 150°C 溫度支持的汽車設計而言，TI 的Grade-0認證ISO7741E-Q1 等數字隔離器有助于在高峰值環境溫度下提供可靠的系統運行。對于每個組件都需要在 110°C 以上可靠運行的高溫設計，較低的額定溫度可能會帶來問題。不然，系統性能或器件壽命可能會受影響。

光耦誤區五：無初級側供電意味著功耗更低

在配置系統以降低功耗時，重要的是要考慮如何驅動隔離器的輸入。光耦由電流輸入驅動，而數字隔離器由電壓輸入驅動——CMOS 或晶體管邏輯。

光耦合器可以通過控制電壓和電流的串聯電阻器驅動數字設備輸入，例如微控制器、模數轉換器和數模轉換器。輸入電流需要高達 10 mA 才能激活 LED 并滿足產品生命周期內的可靠性，這可能導致輸入端的高功耗。

TI 的 ISO7041 等數字隔離器通常輸入端的待機電流要求小于 10 μA。圖 3 顯示了 ISO7041 的電流消耗與數據速率的關系。在該測試中，器件的所有四個通道消耗的電流均低于 20 μA。

圖 3：ISO7041 的電流消耗與數據速率。(來源：TI)

數字隔離器誤區一：數字隔離器更小的DTI表明隔離性能較弱

隔離器的絕緣層距離 (DTI) 是指用于高壓側和低壓側之間絕緣的電介質的距離或厚度。對于光耦，DTI 是 LED 和光電探測器之間的距離。對于基于電容的數字隔離器，DTI 是電容器兩個極板之間的距離。

由于歷史安全標準，基于光耦合器技術設定了最低 DTI 要求，因此存在一種誤解，即所有隔離器的 DTI 必須大于0.4 mm 才能滿足當今嚴格的增強隔離認證要求。然而，實際上，隔離器勢壘的強度是 DTI 和電介質材料的組合。

光耦的介電強度要低得多，因此需要更大的 DTI。基于電容的數字隔離器使用更高介電強度的二氧化硅，并且可以支持 DTI 低至 21 μm 的增強型隔離。

隨著時間的推移，管理設備操作安全標準的組織已經考慮到這一點，并更新了法規，以允許基于正在評估的技術使用更薄的電介質。表1列出了不同絕緣材料的介電強度。

表 1：常見絕緣材料的介電強度。(來源：TI)

數字隔離器誤區二：數字隔離器的成本遠高于光耦

盡管這一誤區具有歷史意義，但數字隔離器技術在過去十年中取得了顯著進步，以更低的成本實現更高的性能。在同一封裝中實現多通道數的能力也有利于降低整體系統密度和成本。例如，ISO6741 在同一封裝中提供四個增強隔離通道，從而以合理的每通道成本提供強大的隔離解決方案。

數字隔離器誤區三：數字隔離器集成和節省電路板空間是有代價的

數字隔離器的最大優勢之一是它們能夠將其他系統要求集成到同一個封裝中通用電氣控制器局域網、RS-485、I2C 和LVDS信號等隔離接口就是很好的例子。您可能擔心購買帶有集成收發器的數字隔離器會對影響預算，但事實是集成數字隔離器有很多好處，尤其是與類似的分立光耦解決方案相比。

分立光耦解決方案的最大缺點是許多分立元件(電阻器、電容器、二極管、施密特緩沖器、晶體管)的成本以及它們的PCB面積。圖 4 比較了光耦和 ISO1500 集成 RS-485 數字隔離器的尺寸。有關此比較的更多信息，請參閱技術文章“用于隔離式 RS-485 設計的光耦合器的隱藏成本”。

圖 4：RS-485分立式和完全集成式隔離方案之間的PCB比較(來源：TI)

結論

在過去的幾十年里，數字隔離取得了長足的進步，現在已成為許多設計人員首選的隔離解決方案。您的設計需要可靠的信號隔離解決方案時，請記住本文中描述的誤區和事實。

原文標題：關于隔離技術常見的誤區與過度的神話

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審核編輯：湯梓紅