NEST107A February 2024 – July 2025 ISOM8110 , ISOM8600 , ISOM8610 , ISOM8710 , ISOM8711
光耦合器又稱為光電耦合器、光隔離器和光學隔離器，長久以來，設(shè)計人員都會選用光耦合器以對系統(tǒng)訊號進行電氣隔離。自從約 1970 年代起，這類半導體裝置就在為工業(yè)與車用終端設(shè)備提供安全隔離上，發(fā)揮了重要作用。然而，雖然已有重大進步，但其電氣特性、高電壓可靠性與整合能力方面的進展，卻似乎面臨限制，促使設(shè)計人員著手探索替代方案。
如電容隔離和磁隔離等技術(shù)興起成為替代方案，因為相較於光耦合器，前述技術(shù)可提供更佳的整體性能。從 2000 年代初期起，德州儀器 (TI) 即投資發(fā)展以二氧化矽 (SiO2) 為基礎(chǔ)的數(shù)位隔離技術(shù)，以提供數(shù)位隔離器產(chǎn)品，這類產(chǎn)品不但可提供與光耦合器相同的功能，更具有數(shù)項獨到優(yōu)勢。
消弭落差：光電模擬器介紹
德州儀器的光電模擬器將傳統(tǒng)光耦合器的優(yōu)勢，以及 TI 的 SiO2 為基礎(chǔ)的隔離技術(shù)優(yōu)勢，集結(jié)於一身。光電模擬器與業(yè)界最熱門的光耦合器引腳對引腳相容，不但有助於跟現(xiàn)有設(shè)計無縫整合，同時還可提供同等的訊號行為。從設(shè)計工程師的角度看來，這些產(chǎn)品的外觀與行為就像光耦合器一樣，但其運用了 TI 的 SiO2 技術(shù)來實現(xiàn)隔離層。由於隔離層能有效阻隔高電壓訊號及防止接地迴路，進而確保系統(tǒng)安全與穩(wěn)定性，如此一來，您就能運用 SiO2 隔離的優(yōu)勢，包括經(jīng)強化的電氣特性、更佳的高電壓穩(wěn)定性，以及可整合額外系統(tǒng)功能的潛力。我們的目標是透過打造這類半導體產(chǎn)品，為您提供兩全其美的選擇。
傳統(tǒng)的光耦合器使用 LED，以跨越隔離層傳輸數(shù)位或類比資訊，且由另一側(cè)的光電晶體偵測訊號；請參閱圖 1。眾所周知，用於光耦合器中的 LED，會隨其使用壽命經(jīng)過而出現(xiàn)老化或劣化效應(yīng)。LED 的這種屬性不但是讓系統(tǒng)設(shè)計人員大感頭痛的部分，也是 TI 最常聽到的抱怨。此外，用於光耦合器中的絕緣材質(zhì)，則是從僅利用空氣，到使用環(huán)氧樹脂或模封材料等，各有不同。表 1 清楚顯示光耦合器與使用 SiO2 介電之光電模擬器間的隔離強度差異。
圖 1 典型光耦合器構(gòu)造| 絕緣材質(zhì) | 技術(shù) | 介電質(zhì)強度 |
|---|---|---|
| 空氣 | 光耦合器 | ~1VRMS/μm |
| 環(huán)氧樹脂 | 光耦合器 | ~20VRMS/μm |
| 充填氧化矽的模封材料 | 光耦合器 | ~100VRMS/μm |
| SiO2 | 光電模擬器 | ~500VRMS/μm |
光電模擬器使用 TI 的 SiO2 為基礎(chǔ)的隔離層來實現(xiàn)訊號隔離，因此使用光電模擬器，即可一併避免這些常見的光耦合器隱患。圖 2顯示 TI 光電模擬器的內(nèi)部構(gòu)造，其會在發(fā)射和接收電路上模擬傳統(tǒng)光耦合器的功能行為，而 SiO2 則會提供高電壓隔離。
圖 2 TI 數(shù)位隔離器的構(gòu)造光電模擬器的優(yōu)勢
光電模擬器整合進階隔離技術(shù)，以克服與傳統(tǒng)光耦合器相關(guān)的限制，進而實現(xiàn)卓越效能和可靠性?，F(xiàn)在讓我們來探討光電模擬器的數(shù)項優(yōu)勢：
減少功耗
傳統(tǒng)光耦合器需要經(jīng)過事先複雜設(shè)計，才能對 LED 難以避免的老化效應(yīng)進行補償，而這在設(shè)計生命週期期間需要額外的正向電流 (IF)。TI 光電模擬器則能提供大幅降低的 IF 和供應(yīng)電流，讓您省下多達 80% 的功率預(yù)算。
更好的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)
常見的數(shù)位光耦合器代表具備約 15kV/μs 的 CMTI，而 ISOM8710 的最低 CMTI 為 125kV/μs，因此可用於具備極高共模切換雜訊或高振鈴雜訊的應(yīng)用。
穩(wěn)定且範圍小的電流傳輸比 (CTR)。
您不再需要為了實現(xiàn)更小的 CTR 範圍而支付額外成本。如 ISOM8110 等 TI 光電模擬器標配提供多種狹小 CTR 範圍，可在溫度範圍內(nèi)維持穩(wěn)定。
快速的資料傳輸速率。
典型高速光耦合器支援的資料傳輸速率為 1Mbps 至 10Mbps，而 ISOM8710 則可支援 25Mbps。這種支援能力可實現(xiàn)更高處理能力，並且也讓光電模擬器能用於各種高速應(yīng)用。
降低正向觸發(fā)器電流
雖然大多數(shù)光 MOS 光耦合器都需要透過 1mA 進行控制，但如 ISOM8610 等 TI 光電模擬器開關(guān)可支援僅透過陽極 / 陰極引腳進行 0.8mA 電流的應(yīng)用。
頻寬
ISOM8110 支援 680kHz 的高頻寬，能縮減強制性磁性元件 (電感器和變壓器) 的尺寸。高頻寬能實現(xiàn)更佳的二次側(cè)穩(wěn)壓返馳式轉(zhuǎn)換器暫態(tài)響應(yīng)。更佳的暫態(tài)響應(yīng)有助於縮減輸出電容器的尺寸、釋出電路板空間，並減少整體系統(tǒng)成本，在高切換頻率的氮化鎵設(shè)計中更是如此。
廣泛的溫度範圍：
光耦合器平均支援的溫度範圍為 0°C 至 +85°C。雖然部分光耦合器可支援更廣泛的溫度範圍，但必須支付額外成本才能享有該功能。TI 光電模擬器標配支援廣達 –55°C 至 +125°C 的溫度範圍，且在 2024 年將會提供更多符合汽車認證的產(chǎn)品。
可靠的隔離
光電模擬器具備更佳的高電壓能力，讓其適用於需要可靠隔離的應(yīng)用。TI 光電模擬器運用 SiO2 實現(xiàn)隔離層，可提供 500V/μm 的隔離。此效果比市面上許多光耦合器所使用的空氣 (1V/μm) 更為強大。
結(jié)論
光電模擬器代表訊號隔離技術(shù)出現(xiàn)重大進展，其將大家對光耦合器的通曉，以及以 SiO2 為基礎(chǔ)的隔離優(yōu)勢，集結(jié)於一身。這類裝置可協(xié)助您滿足現(xiàn)代化系統(tǒng)的需求，確保獲得強化的性能、可靠性和安全。運用光電模擬器，您即可將設(shè)計最佳化，並迎接隔離技術(shù)的新世代。
其他資源
若您已準備好將設(shè)計升級至光電模擬器，歡迎試用 TI 的交互參考搜尋，您可在此處上傳目前設(shè)計中使用的光耦合器，並尋找相符的合適光電模擬器。
詳閱白皮書「以可靠且經(jīng)濟實惠的隔離技術(shù)解決高電壓設(shè)計難題」，應(yīng)用說明，「光電模擬器簡介」及光電模擬產(chǎn)品組合頁面。
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