為什么在電路設(shè)計(jì)中需要考慮電氣隔離？
  所有涉及 AC-DC 或中高壓 DC-DC 功率轉(zhuǎn)換的電子電路都需要電氣隔離。 電氣隔離是指阻止電流在電路中的兩個(gè)區(qū)域之間流動(dòng)，確保沒(méi)有實(shí)際的電氣連接，它有兩個(gè)主要功能：
  ●確保人員和設(shè)備的安全：電氣隔離可以使系統(tǒng)上的兩個(gè)電路保持獨(dú)立。 例如，一種電路是強(qiáng)電流電路，另一種是弱電流電路。 如果沒(méi)有電氣隔離，一旦發(fā)生故障，強(qiáng)電流電路中的電流直接流向弱電流電路，會(huì)造成人員觸電或電路設(shè)備損壞。
  ●提高電路的抗干擾能力：電氣隔離可以去除兩電路之間的接地回路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號(hào)的傳播，使電子系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性。
  在設(shè)計(jì)電路時(shí)，電子工程師有許多隔離選項(xiàng)，例如變壓器和繼電器。 但最有效和最常用的隔離器件是光耦合器和數(shù)字隔離器。
  ●光耦：光耦也稱為光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦。
  ●數(shù)字隔離器：近年來(lái)開發(fā)的數(shù)字隔離器基于CMOS技術(shù)，可為電子系統(tǒng)中數(shù)字和模擬信號(hào)的傳輸提供良好的電阻隔離特性。
  光耦合器和數(shù)字隔離器作為專門的電氣隔離器件，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的電氣和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。 本文將主要介紹這兩類設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用方案。
光耦隔離的優(yōu)缺點(diǎn)
  光耦是1970年代開發(fā)的隔離器件。 它以光為介質(zhì)傳輸電信號(hào)，對(duì)輸入和輸出電信號(hào)有很好的隔離作用。 光耦由于體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸出與輸入隔離、信號(hào)單向傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在電子電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。 光耦合器已成為最多樣化和應(yīng)用最廣泛的光電器件之一，包括晶體管耦合器、高速集成電路輸出耦合器、可控硅耦合器和光控繼電器等。 廣泛應(yīng)用于電氣絕緣、電氣扁平變換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大器和固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通訊設(shè)備和計(jì)算機(jī)接口。
  速度和功耗是設(shè)計(jì)工程師最重要的光耦參數(shù)。 不同的應(yīng)用對(duì)光耦合器的速度要求不同。 例如，在通信應(yīng)用中，DeviceNet規(guī)定了相對(duì)較低的數(shù)據(jù)速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，傳播延遲要求小于40ns；  CAN總線規(guī)定125kBd低速和1MBd高速數(shù)據(jù)速率，但對(duì)傳播延遲沒(méi)有嚴(yán)格要求；  Profibus 在 12MBd 范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，并指定隔離器、收發(fā)器和連接本身的總 PWD 延遲。
  在功耗方面，部分超低功耗光耦產(chǎn)品采用獨(dú)特的集成電路設(shè)計(jì)和厚絕緣層材料，可在不影響隔離和絕緣性能的情況下大幅降低功耗，適用于RS485、CANBus和I2C等通信接口， 微處理器系統(tǒng)接口，以及用于模數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用（如 A/D 和 D/A）的數(shù)字隔離。
  除了速度和功耗之外，光耦合器產(chǎn)品也趨向于低電壓特性。 隨著越來(lái)越多的電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向更低的電源電壓，這也要求光耦合器具有低電壓特性以滿足系統(tǒng)的需要。 此外，隨著系統(tǒng)集成度的不斷提高和工作環(huán)境的日益嚴(yán)格，光耦產(chǎn)品的體積和工作溫度也開始面臨前所未有的挑戰(zhàn)。 近兩三年來(lái)，電容耦合、磁耦合、電阻耦合、CMOS數(shù)字、SiO2等新型隔離器層出不窮，給光耦合器帶來(lái)了很大的沖擊，面臨逐漸被取代的危險(xiǎn)。
國(guó)外和國(guó)內(nèi)光耦廠商
經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，全球光耦產(chǎn)業(yè)格局已趨于穩(wěn)固。日美系品牌以高階光耦稱霸市場(chǎng)，臺(tái)系品牌壟斷中低端光耦一半以上的產(chǎn)能，而國(guó)產(chǎn)光耦品牌則憑借2019年“國(guó)產(chǎn)替換”的風(fēng)口，也逐漸走到臺(tái)前。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，銷售和利潤(rùn)占比最高的是日美系光耦，其中代表廠家有：AVAGO(安華高)、FAIRCHILD(仙童)、VISHAY(威世)、ISOCOM(安數(shù)光)、OSRAM Opto(歐司朗)、CLARE(克萊爾)、IXYS(艾賽斯)、TOSHIBA(東芝)、RENESAS(瑞薩)、NEC(日電)、PANASONIC(松下)、SHARP(夏普)、OMRON(歐姆龍)、KODENSHI(可天士)等。
而光耦出貨量最大的是臺(tái)系廠商，基本壟斷了低階市場(chǎng)50%～60%的產(chǎn)能，代表企業(yè)有LITE-ON(光寶)、EVERLIGHT(億光)、CT MICRO (兆龍) 、COSMO (冠西) 、KINGBRIGHT(今臺(tái))和BRIGHT(佰鴻)等。
數(shù)字隔離的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
直至1990年代后期，光耦基本上是市場(chǎng)上唯一的解決方案。由于光耦合器使用來(lái)自LED的光通過(guò)隔離屏障傳輸數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，LED打開時(shí)為邏輯高電平 （Logic HIGH），而關(guān)閉時(shí)為邏輯低電平（Logic LOW），這意味著在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)持續(xù)產(chǎn)生功秏。然而，以CMOS為基礎(chǔ)的數(shù)字隔離器使用電感（磁性）或電容耦合來(lái)傳輸訊號(hào)，有較快速的傳輸響應(yīng)，可以利用編碼來(lái)表達(dá)邏輯高電平和邏輯低電平。因此數(shù)字隔離器能在長(zhǎng)時(shí)間的高電平下減少功秏，同時(shí)能夠處理復(fù)雜的雙向接口，如485和I2C。
采用數(shù)字隔離器替代光耦具有如下好處：
●提高數(shù)據(jù)速率和時(shí)序特性
●集成多個(gè)隔離通道和其它功能，可縮小尺寸、降低成本
●功耗比光耦節(jié)省高達(dá)90%
●連接其它數(shù)字器件所需的外部元件最少
●無(wú)需光耦所用的LED，提高可靠性
此外， 數(shù)字隔離器有較佳的共模瞬態(tài)抗擾度 (Common Mode Transient Immunity，CMTI)性能。CMTI對(duì)隔離效果非常重要，因?yàn)楦邤[率（高頻率）瞬變可能會(huì)破壞隔離柵之間的數(shù)據(jù)傳輸。CMTI通常以千微伏每微秒 （kV/us） 為單位進(jìn)行測(cè)量，指的是隔離器介于輸入和輸出之間拒絕噪聲的能力。高CMTI意味著較強(qiáng)的隔離能力，數(shù)字隔離器的CMTI可達(dá) 200kV/us ， 而光耦合器普遍較低。
數(shù)字隔離的優(yōu)點(diǎn)包括高速、長(zhǎng)壽命、魯棒性、良好的時(shí)序規(guī)范和更低的功耗等。但是，數(shù)字隔離元件在很多中低端應(yīng)用中并不具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。此外，對(duì)于某些應(yīng)用而言，光耦已經(jīng)得到久經(jīng)考驗(yàn)且十分可靠，數(shù)字隔離器要想替代光耦并非易事，設(shè)計(jì)人員不太愿意冒嘗試新技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。光學(xué)、磁性或電容隔離等不同隔離方案的選擇將取決于特定客戶的需求、具體細(xì)節(jié)和具體應(yīng)用。這些利弊并不會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。
國(guó)外和國(guó)內(nèi)數(shù)字隔離廠商
近年來(lái)，隨著CMOS工藝的不斷進(jìn)步，數(shù)字隔離技術(shù)開始發(fā)展起來(lái)，并逐步被市場(chǎng)認(rèn)可。各種光耦替代技術(shù)也層出不窮，諸如電容隔離(容耦—TI、Silicon Labs和納芯微)、電磁隔離(磁耦--ADI)等。
ADI于10多年前為尋求光耦合器替代方案而開發(fā)出 iCoupler 數(shù)字隔離器，它融合了高帶寬片內(nèi)變壓器和精細(xì) CMOS 電路，為設(shè)計(jì)人員改善了可靠性、尺寸、功耗、速度、時(shí)序精度和易用性。ADI 數(shù)字隔離器利用低應(yīng)力厚膜聚酰亞胺絕緣層實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，可以將其與標(biāo)準(zhǔn)硅 IC 集成在單芯片上，形成單通道、多通道和雙向配置。此外，它還能嵌入其它數(shù)據(jù)采集、通信和控制 IC，使得設(shè)計(jì)人員能夠全心專注于系統(tǒng)功能的完善，而不必?fù)?dān)心隔離問(wèn)題。
近年來(lái)，雖然ADI始終占據(jù)著數(shù)字隔離市場(chǎng)的龍頭地位，但Silicon Labs和德州儀器也通過(guò)有效的業(yè)務(wù)擴(kuò)展達(dá)到了與ADI相近的水平，形成了三足鼎立的市場(chǎng)格局。NVE的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)雖然不如其他公司，不過(guò)仍十分活躍。目前，英特錫爾、美信、恩智浦、意法半導(dǎo)體、羅姆公司等公司也開始在市場(chǎng)上銷售數(shù)字隔離相關(guān)產(chǎn)品。
本土數(shù)字隔離廠商雖然起步較晚，但乘著“國(guó)產(chǎn)替代”的東風(fēng)，也開始迅速發(fā)展起來(lái)。產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)并具有一定市場(chǎng)影響力的國(guó)產(chǎn)數(shù)字隔離器廠商有：蘇州納芯微電子、上海榮湃，以及上海川土微電子。
數(shù)字隔離的典型應(yīng)用案例
隔離應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域最為常見，例如工廠自動(dòng)化、流程控制、PLC或可編程自動(dòng)化控制器（PAC）、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制和不間斷電源（UPS）等設(shè)備。工業(yè)自動(dòng)化是隔離器的最大市場(chǎng)，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們非常重視CMOS隔離器所帶來(lái)的好處，比如高溫環(huán)境操作、優(yōu)異的組件匹配性、減少偏移和高耐噪性等。
對(duì)于隔離式開關(guān)電源，傳統(tǒng)的誤差放大器大多采用光耦方案，光耦反饋可以應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)電源應(yīng)用場(chǎng)景，但該方案有其局限性——電源光耦反饋模塊工作溫度通常不超過(guò)100℃，傳輸特性相對(duì)較慢，傳輸延時(shí)會(huì)隨時(shí)間增加而變長(zhǎng)，環(huán)路響應(yīng)慢。此外，在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，光耦反饋方案精度較為一般。納芯微基于電容隔離技術(shù)研發(fā)出高可靠性隔離誤差放大器NSi3190，它具有高帶寬、高精度、高可靠性等特性，可滿足汽車級(jí)工作溫度要求（?40°C~+125?C）。這種隔離器能夠在單芯片上同時(shí)支持電壓型輸出和電流型輸出，可完美替代傳統(tǒng)的光電耦合器方案。
對(duì)于高低電平信號(hào)的傳輸，有的工程師可能會(huì)認(rèn)為用光耦更劃算，光耦在單顆元件成本上確實(shí)具備優(yōu)勢(shì)，但綜合考慮整體方案成本及性能，數(shù)字隔離方案在一些場(chǎng)景中仍是優(yōu)選方案。具體來(lái)看，光耦最大的缺點(diǎn)是對(duì)溫度的依耐性非常高，溫度變化引發(fā)的光耦性能變化會(huì)導(dǎo)致電路性能下降，因此在高溫工作環(huán)境與對(duì)體積要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，數(shù)字隔離器是更好的光耦替代方案。
數(shù)字隔離器在汽車市場(chǎng)上也找到了用武之地。盡管傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)（ICE）驅(qū)動(dòng)汽車幾乎不用隔離器，但自從電動(dòng)車問(wèn)世以來(lái)，電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)正逐漸改變。目前EV或各式各樣的混合動(dòng)力車輛（HEV）通常配置200V~400V高電壓電池，未來(lái)的趨勢(shì)是采用更高電壓的電池，藉此達(dá)到更高的功率和/或電池容量以及續(xù)航能力。這種高電壓電池必須使用隔離器，以確保汽車內(nèi)不同電壓場(chǎng)域的安全性和訊號(hào)傳輸。許多汽車制造大廠競(jìng)相投入EV/HEV布局，為了優(yōu)化高溫操作、穩(wěn)定性和抗噪性，汽車產(chǎn)業(yè)成為數(shù)字隔離器技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力。EV/HEV的終端應(yīng)用如電池管理系統(tǒng)（BMS）和車載充電器(OBC)，也加速推動(dòng)著市場(chǎng)對(duì)隔離器的需求。
數(shù)字隔離的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)
10年前，非光學(xué)數(shù)字隔離還是一個(gè)非常小的市場(chǎng)，2010年市場(chǎng)規(guī)模僅為5,400萬(wàn)美元，根本就沒(méi)有引起光耦制造商們的重視。近5年來(lái)，數(shù)字隔離銷售大幅增長(zhǎng)，至2018年全球市場(chǎng)規(guī)模已增至3.43億美元。IHS Markit預(yù)計(jì)，到2024年這一細(xì)分市場(chǎng)將增長(zhǎng)一倍以上，達(dá)到7.67億美元。
從現(xiàn)在到2024年，工業(yè)應(yīng)用仍將是隔離器件最大的市場(chǎng)。不過(guò)，這期間的大部分增長(zhǎng)將主要來(lái)自汽車行業(yè)，特別是電動(dòng)車輛。目前還不清楚在汽車市場(chǎng)是光耦還是非光學(xué)數(shù)字隔離器件會(huì)勝出，但兩者的機(jī)會(huì)都很多。
中國(guó)是光耦產(chǎn)品的消費(fèi)主戰(zhàn)場(chǎng)。目前，國(guó)內(nèi)光耦的需求主要集中在中低端的消費(fèi)類、通用類領(lǐng)域，例如手機(jī)充電器和電水表等。除了消費(fèi)電子，光耦器件在工業(yè)、汽車電子等應(yīng)用中已逐漸成熟。數(shù)字隔離器集成IC替代低階光耦是一種趨勢(shì)?，F(xiàn)在有很多USB接口就自帶電路保護(hù)功能，集成IC方案可以讓元器件更集成化，且成本更低，適合需要嚴(yán)格成本控制的終端廠家。
此外，在一些新興的應(yīng)用市場(chǎng)，比如氮化鎵快充充電器，數(shù)字隔離器可以與氮化鎵器件更好地配合，將逐漸為電子工程師所接受而成為主流的隔離替代方案。