光耦仿真器登场，引脚、电气全兼容！

如今大热的工厂自动化、电机驱动、电网基础设施和电动汽车应用中，电压动辄几百伏，甚至数千伏。如何更好的保护电子设备和操作人员的安全，提高电路的抗干扰能力，同时仍支持信号和/或电源传输，电隔离必不可少。

光耦——作为专有的隔离技术，在长达50年的时间里，一直是隔离设计人员的首选。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。后来使用了LED来跨隔离层（通常是空气间隙或介电强度比空气稍好环氧树脂）传输数字或模拟信息。

 
典型光耦结构

但随着工业和汽车领域对高可靠性、更长使用寿命和更高信号完整性的需求不断增长，光耦的局限性也渐渐暴露出来。由于绝缘材料容易因高电压应力击穿势垒，老化问题成了光耦的突出问题。同时由于生产工艺的限制，光耦的一致性也无法得到有效保证。此外，由于光耦通过切换PN结二极管而工作，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，TI隔离接口市场与应用经理 Michael Schultis列举了当前光耦遇到的问题。

 
德州仪器隔离接口市场与应用经理 Michael Schultis

这时，数字隔离技术（例如电容隔离和磁隔离）逐渐走上前台。据Markets and Markets 统计，2022-2027年全球数字隔离芯片市场年复合增长率为8.45%，预计到2027年将达到27亿美元，其中工业和汽车是其最大的两个市场。
 
与光耦引脚、电气全兼容
 
Michael Schultis表示，数字隔离器的优缺点取决于隔离材料的类型，而隔离材料决定了隔离器的等级和寿命。TI 之所以选择二氧化硅 (SiO₂)作为隔离带的材料，是因为它对湿度和温度都不是特别敏感，能够提供高速、长寿命、鲁棒性、良好的时序规范和更低的功耗等性能，尤其是在高额定电压、电气特性、开关特性和可靠性方面具有出色表现。

 
 
TI 光耦仿真器结构
 

为了帮助工程师更方便地使用数字隔离器，TI于近日推出了全新光耦仿真器产品ISO8110和ISOM8710系列，顾名思义，这些产品不仅与业内常见的光耦引脚对引脚兼容，同时在电气功能方面也是兼容的，设计者可无缝集成到现有设计中。隔离应用中重点关注的共模瞬态抗扰度(CMTI)、功耗、隔离性能与可靠性、传输延时、使用寿命等指标上，光耦仿真器比光耦隔离也有较大优势。
功耗：利用更低的 I_F 阈值和电源电流，TI 光耦仿真器可降低高达80%的功耗。
共模瞬态抗扰度 (CMTI)：光耦采用单端通道设计，无共模噪声抑制电路，因此其接收器易受外部共模噪声的影响。而TI ISOM8710 的典型 CMTI 为 150kV/μs，可提供比光耦高多达 10 倍的共模瞬态抗扰度。
隔离性能：光耦仿真器能提供高达3,750V_RMS 的隔离保护。
高数据吞吐量：与高速光耦相比，数字隔离器可以支持更高的数据速率。TI最新光耦仿真器数字信号数据速率高达 25 Mbps (ISOM8710)，模拟信号的带宽高达 680 kHz (ISO8110)。
长达40年使用寿命：由于所用绝缘材料的介电强度差异，TI  SiO₂ 隔离栅具有 500V_RMS/μm  的高介电强度，使新器件产品系列可为终端产品设计提供长达 40 多年的保护。
稳定性：TI光耦仿真器支持 -55℃ - +125℃ 的温度范围，并在整个温度和生命周期内保持稳定且严格的电流传输比 (CTR)。
封装：光耦所使用的绝缘介质（空气和环氧树脂）的介电强度非常低，因此在单通道封装中会占据相当大的空间。而TI光耦仿真器使用 SiO₂ 作为电介质，该种介质具有明显更高的介电强度，但占用的空间非常小，可以将多个通道轻松集成到一个小型封装中。所以TI光耦仿真器的封装做到了 4.8mm x 3.5mm。
认证：传统光耦的认证为 IEC 60747-5-5，该认证无需寿命测试，最新光耦仿真器通过 IEC 60747-17 认证并进行寿命测试。 IEC 60747-17是数字隔离器制造商和光耦制造商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。
 
据悉，TI汽车版本的光耦仿真器产品预计将于 2024 年面市。 目前，针对光耦仿真器，TI已经推出了样品和评估板（数字输入输出ISOM8110DFGEVM系列和模拟输入输出ISOM8710DFFEVM 系列），可以在TI官网上申请。

 
 ISOM8710DFFEVM
 
 

Michael Schultis介绍，光耦通过集成一个 LED 来隔离信号，在过去一直是工程师的常用选择，但光耦需要预先进行超裕度设计，用于补偿 LED 不可避免的老化效应。TI 光耦仿真器使用 SiO₂ 隔离栅，无需进行超裕度设计，可完全消除 LED 的老化效应。
 
对于光耦仿真器是否能全面替代光耦问题，Michael Schultis表示目前市面上的光耦可能有数万种。TI发布的两款光耦仿真器与市面上非常多的主流光耦是兼容的，同时还提供了一些变种，比如说针对不同的电流传输比例、不同的封装、以及不同的隔离等级。同时，TI也在不断地提升隔离势垒的技术，比如说克服使用寿命的问题，让 CMTI 等系统指标满足越来越严苛的系统设计要求。最终的目标是针对主流的应用实现直接替换。
 
光耦与数字隔离器，并驾齐驱

不可否认，尽管光耦存在固有的性能缺陷，光耦仍然占有隔离市场的较大份额。因为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。所以可以预见的是，在未来相当一段时间内，光耦器件和数字隔离器件将并存发展，在各自擅长的应用领域继续增长。但是，技术的发展规律决定了从光耦到数字隔离是未来的发展趋势。