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基于市场视角的光隔离器和数字隔离器评述

时间:2018-08-31 作者:Silicon Labs隔离和电源产品资深产品经理Ashish Gokhale 阅读:
现代电子系统在工业自动化、电信基站电源和电动汽车(EV)车载充电器(OBC)等各种应用设计中面临一系列独特的挑战:提供高压下的安全性 — 保护电子控制设备和操作人员安全;在具有相对较高的地电位差的子系统之间进行有效通信;防止电气噪声破坏敏感信号。

现代电子系统在工业自动化、电信基站电源和电动汽车(EV)车载充电器(OBC)等各种应用设计中面临一系列独特的挑战:

· 提供高压下的安全性 — 保护电子控制设备和操作人员安全

· 在具有相对较高的地电位差的子系统之间进行有效通信

· 防止电气噪声破坏敏感信号

通过在电路设计中引入电流隔离器可以解决这些挑战。电流隔离器是在绝缘栅上耦合电数据或控制信号而没有任何电流流过的器件,因此能够在阻挡噪声的同时传输信号。此外,绝缘栅还可以保护设备和操作人员免受高压影响。

光耦隔离器

最早的隔离器是光耦合器件,也称为光隔离器或光耦合器,简称“光耦”。光耦的第一批专利于20世纪60年代发布。最早的形式包括初级侧的微型白炽灯泡、作为绝缘或介电层的光学透明塑料、以及次级侧上由所照射光量度进行调制的光敏电阻器。后来的开发引入了更复杂的光耦合器件,使系统设计人员的工作变得容易了一些。它们基本上都是某种发光结构(微型灯泡被初级侧的半导体发光二极管或LED取代),再加上各种形式的光敏器件,如光电阻器、光电晶体管、光电二极管或三端双向可控硅开关,使器件适用于各种直流和交流应用。直到基于CMOS的数字隔离器在20世纪90年代后期开发成功之前,光耦基本上是唯一可用的解决方案。数字隔离器使用电感(磁)或电容耦合来传输信号。图1主要显示了光耦合器和数字隔离器之间的技术差异。

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图1:光耦合和电容耦合CMOS隔离器的基本操作原理

图2显示了光耦合器和数字隔离器的X射线图像示例,可帮助直观地了解这些器件的物理构成。

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图2:光耦合器构成(左)和数字隔离器构成(右)的X射线图像

光电器件的一个突出特性是老化问题。LED的量子效率(定义为输入电流的每个电子的总光子数)在恒定电流下随时间而减小。这主要是由于PN结的电应力和热应力。这对于光耦合器的长期稳定性和操作有影响,特别是在高温操作条件下。设计人员可以通过几个补救措施来减缓老化的影响:

· 降低实际使用寿命

· 降低工作二极管电流和环境温度

· 避免峰值瞬态电流

当然,这些操作限制了使用场景,这是因为隔离器本质上在存在这些条件的系统中最为有用。数字隔离器没有这些物理限制。由于光耦基本上通过切换PN结二极管起作用,它们的开关速率相对较慢。因此,光耦只能运行在较低的数据速率下,并且有较大的传播延迟和偏移。

行业趋势和CMOS数字隔离器

在日益增长的带宽和耗电量的现实世界中,新的基于CMOS的数字隔离器提供了理想的解决方案。最常见的隔离应用是在工业市场,例如工厂自动化、工艺控制、可编程逻辑控制器(PLC)或工艺自动化控制器(PAC)、电机控制逆变器和不间断电源(UPS)等设备。工业自动化是隔离器的最大市场,工业系统设计人员非常重视CMOS隔离器带来的高温操作、卓越的器件一致性、低偏移和高抗噪性。

其他重要应用包括用于电信基站和服务器的隔离电源,它们为我们日益发展的互联世界——物联网背后的基础设施提供动力。数字技术的早期采用者是隔离电源制造商。这些电源主要用于服务器和电信基站。对于这个市场,最关键的参数是功率密度,或称为W/mm3。它有助于全球倡议绿色的组织去建立更清洁的环境,同时也要求更高的效率以减少能源浪费。事实证明,拥有更高效率的系统也意味着更少的热量损失,这使得系统尺寸能够进一步缩小,因为不再需要占用较大空间的散热器。与光耦相比,CMOS数字隔离器技术的最大影响在于这些新型隔离器件的时序特性。

由于数字隔离器不是基于切换LED的PN结以实现信号传输,因此开关速率提高了一个数量级。结合标准CMOS硅技术所采用的较小几何形状和更高可重复性和稳定性的制造工艺所提供的优势,时序参数例如传输延迟、脉冲宽度失真或偏移、器件一致性和共模瞬变抗扰度(CMTI)等得到了极大的改善。在隔离行业中,CMTI基本上是指共模噪声抑制能力,以电压转换速率kV/µs来衡量。光耦的局限性是由于涉及化合物半导体技术的制造工艺,它更适合光学操作而不是去实现快速和高精确性器件。数字隔离器的固有优势帮助电源OEM加强功率转换器控制环路时序,从而提高了效率。

另一个快速兴起的数字隔离器市场是汽车市场。尽管传统的基于内燃机(ICE)的汽车几乎不使用任何隔离器,但自从引入电动汽车(EV)以来,这已经发生了变化。电动汽车或各种形式的混合动力电动汽车(HEV)现在具有200V-400V的高压电池,并且未来计划用更高的电压以实现更高的功率和/或容量以最大化每次充电后行驶的距离。这种高压电池需要使用隔离器来实现车辆内不同电压域的安全和信号传输。事实上,所有主要汽车制造商都有即将推出EV/HEV的发布计划。由于其高温操作、稳定性和抗噪性的要求,汽车行业也成为数字隔离器技术的早期采用者。终端应用如电池管理系统(BMS)和充电器正在推动EV/HEV市场对隔离器的需求。

光耦仍然享有整个隔离市场的大部分份额,甚至在高性能市场(大致特征是数据速率至少为1Mbps的隔离器产品和栅极驱动器等专用产品)。尽管光耦存在固有的性能缺陷,但它们仍然在市场上具有一些优势。最大的优势是光耦几十年来一直是事实上的解决方案,设计人员对使用光耦感觉很放心并且觉得它们更安全,毕竟隔离器是安全器件。

数字隔离器自从最早期的使用来看已经取得了长足进步,当时典型的产品仅仅提供基本的绝缘水平(大致相当于2.5kV隔离等级)。如今,数字隔离器可提供增强型和双倍绝缘等级(5kV或更高),并且被认为与提供同等安全性的光耦相当。光耦的另一个优点是它们本质上不受外部电磁(EM)场的影响,并且辐射电磁噪声较少。在工业市场这尤为重要,这些市场中通常存在产生高电磁场的设备,例如工厂车间的重型感应电动机,电子系统需要容忍这种外部电磁场。与基于磁性的数字隔离器相比,基于电容的数字隔离器对外部电磁场也具有高度免疫性并且辐射水平较低。一般而言,数字隔离器在时序特性、寿命稳定性、CMTI和高温操作方面具有优势。表1简要说明了光耦和CMOS数字隔离器的优缺点。

数字隔离器产品的增长率大约是整个隔离市场的两倍,这表明最终用户对将设计从传统光耦转换为数字隔离器的信心日益增强。

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 表1:光耦合器和数字隔离器的比较

兼容性和安全标准

在确保最终用户所选择的隔离解决方案已经通过通用标准测试,并且已被证明具有令人满意的性能方面,隔离安全标准发挥着重要作用。在这方面,数字隔离器制造商和光耦制造商认识到最终的受益者是最终用户,因此他们合作定义了一个新的兼容性标准,该标准不是一个简单演进的光耦标准,而是一个真正适应光耦合器和CMOS数字隔离器之间制造和设计差异的标准。这个新的VDE 0884-11标准已经是一个生效的规范。此外,即将发布的IEC标准版本——IEC 60747-17,大大地消减了客户之前关于那些焦点问题的疑虑。

结论

基于CMOS的数字隔离器充分利用了最先进的半导体技术,并为系统设计人员提供了优于传统光耦器件的几个关键优势。正如我们所看到的,这些优势正在改变游戏规则,有助于塑造电力供应、绿色能源和汽车等行业的发展,并将在不久的将来继续推动其他市场的创新。

作者简介 

Ashish Gokhale是Silicon Labs电源产品的资深产品经理,专注于公司的数字隔离系列产品。Ashish于2010年加入Silicon Labs。之前,他曾担任德州仪器(TI)隔离产品的业务开发经理,负责开发隔离技术和推广产品。他曾在TI的半导体工艺和产品开发部门担任过各种技术和管理职位,包括深亚微米工艺节点的技术开发和工业接口产品的开发。他拥有德克萨斯大学奥斯汀分校的电子工程硕士和工商管理学硕士学位,以及孟买大学VJTI的电子工程学士学位。此外,他还在隔离技术领域拥有两项专利。

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