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光耦仿真器釋疑:為何要升級光耦合器技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2023-11-24 來源:TI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】光耦合器又稱光電耦合器、光電隔離器和光隔離器,長期以來一直是設(shè)計(jì)人員尋求系統(tǒng)信號電氣隔離的一種選擇。自 20 世紀(jì) 70 年代以來,這些半導(dǎo)體器件在為工業(yè)和汽車終端設(shè)備提供安全隔離方面發(fā)揮著重要作用。然而,盡管這類器件已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步,但在電氣特性、高壓可靠性和集成能力方面似乎存在一定的限制,這促使設(shè)計(jì)人員探索其他替代方案。


于是,各種替代方案便開始不斷涌現(xiàn),比如電容隔離和磁隔離等技術(shù),這些技術(shù)提供了比光耦合器更出色的整體性能。自 21 世紀(jì)初以來,德州儀器一直在投資開發(fā)基于二氧化硅 (SiO2) 的數(shù)字隔離技術(shù),并推出了一些數(shù)字隔離器產(chǎn)品,這些產(chǎn)品具有與光耦合器相同的功能,并還帶有一些獨(dú)特的優(yōu)勢。


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縮小差距:光耦仿真器簡介


德州儀器的光耦仿真器融合了傳統(tǒng)光耦合器的優(yōu)勢和 TI 基于 SiO2 的隔離技術(shù)的優(yōu)勢。光耦仿真器與業(yè)內(nèi)最常見的光耦合器引腳對引腳兼容,有助于無縫集成到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中,同時(shí)提供相同的信號行為。從設(shè)計(jì)工程師的角度來看,這些產(chǎn)品在外觀和行為上都與光耦合器相似,但采用了 TI 的 SiO2 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)隔離柵。隔離柵能有效地阻止高壓信號并防止接地回路,確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,使您能夠充分利用 SiO2 隔離的優(yōu)勢,包括增強(qiáng)的電氣特性、更出色的高壓可靠性以及集成額外系統(tǒng)功能的潛力。通過開發(fā)這類半導(dǎo)體產(chǎn)品,我們的目標(biāo)是為您提供兩全其美的選擇。


如圖 1 所示,傳統(tǒng)的光耦合器使用 LED 來跨隔離柵傳輸數(shù)字或模擬信息,而光晶體管則在另一側(cè)檢測信號。眾所周知,光耦合器中使用的 LED 會(huì)在其使用壽命內(nèi)隨時(shí)間推移而出現(xiàn)老化或劣化效應(yīng)。LED 的這一特性給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了很大的麻煩。此外,光耦合器中使用的絕緣材料種類繁多,從空氣、環(huán)氧樹脂到模塑化合物等。表 1 清楚地展示了光耦合器與采用 SiO2 電介質(zhì)的光耦仿真器在隔離強(qiáng)度上有何區(qū)別。


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圖 1:典型的光耦合器結(jié)構(gòu)


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表 1:各種絕緣材料的介電強(qiáng)度


光耦仿真器使用 TI 基于 SiO2 的隔離柵來實(shí)現(xiàn)信號隔離,可以避免這兩個(gè)常見的光耦合器問題。圖 2 展示了光耦仿真器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其中發(fā)送和接收電路模擬了傳統(tǒng)光耦合器的功能行為,同時(shí) SiO2 提供了高壓隔離。


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圖 2:TI 數(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)


光耦仿真器的優(yōu)勢


通過整合先進(jìn)的隔離技術(shù),光耦仿真器能夠克服與傳統(tǒng)光耦合器相關(guān)的限制,實(shí)現(xiàn)出色的性能和可靠性。我們來討論一下光耦仿真器的幾個(gè)優(yōu)勢:


●   更低的功耗。傳統(tǒng)的光耦合器需要預(yù)先進(jìn)行超裕度設(shè)計(jì),以幫助補(bǔ)償 LED 不可避免的老化效應(yīng),因此需要在設(shè)計(jì)的整個(gè)壽命期間提供額外的正向電流 (IF)。TI 的光耦仿真器具有超低的 IF 和電源電流,能夠幫助您節(jié)省高達(dá) 80% 的功率預(yù)算。


●   更高的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)。數(shù)字光耦合器的 CMTI 通常約為 15kV/μs,而 ISOM8710 的最小 CMTI 為 125kV/μs,因此可以在具有超高共模開關(guān)噪聲或高振鈴噪聲的應(yīng)用中使用。


●   穩(wěn)定且精確的電流傳輸比 (CTR)。不必再為獲得更精確的 CTR 范圍而支付額外費(fèi)用。ISOM8110 等 TI 光耦仿真器標(biāo)配各種在溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的精確 CTR 范圍。


●   高數(shù)據(jù)速率。典型的高速光耦合器支持 1Mbps 至 10Mbps 的數(shù)據(jù)速率,而 ISOM8710 支持 25Mbps 的數(shù)據(jù)速率。這種支持能夠?qū)崿F(xiàn)更高的吞吐量,使光耦仿真器能夠在各種高速應(yīng)用中使用。


●   帶寬。ISOM8110 支持 680kHz 的高帶寬,因此能夠縮小必要磁性元件(電感器和變壓器)的尺寸。高帶寬有助于改善次級側(cè)調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)。而由于瞬態(tài)響應(yīng)得到改善,因此可以縮小輸出電容器的尺寸,從而釋放布板空間并降低整體系統(tǒng)成本,尤其是在高開關(guān)頻率的氮化鎵設(shè)計(jì)中。


●   寬溫度范圍。光耦合器支持的溫度范圍通常為 0°C 至 +85°C。雖然有些光耦合器支持更寬的溫度范圍,但這一特性會(huì)增加額外的成本。TI 的光耦仿真器標(biāo)配支持 –55°C 至 +125°C 的寬工作溫度范圍,并且在 2024 年將提供更多符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的器件。


●   可靠隔離。光耦仿真器具有更高的高壓性能,因此非常適合需要可靠隔離的應(yīng)用。TI 的光耦仿真器采用 SiO2 來實(shí)現(xiàn)絕緣柵,可提供 500V/μm 的隔離能力,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過市場上許多光耦合器中使用的空氣介質(zhì) (1V/μm)。


結(jié)語


光耦仿真器代表著信號隔離技術(shù)的重大進(jìn)步,它將熟悉的光耦合器功能與 SiO2 隔離技術(shù)的優(yōu)勢融為一體。借助這些器件,您能夠滿足現(xiàn)代系統(tǒng)的需求,確保性能、可靠性和安全性得到增強(qiáng)。通過充分利用光耦仿真器,您可以優(yōu)化設(shè)計(jì),迎接隔離技術(shù)的新時(shí)代。



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