从光耦到数字隔离器的国产替代之路.docx

为什么电路设计需要考虑电气隔离？凡是涉及到ACDC或中高电压DCDC电源转换的电子电路，都需要电气隔离。电气隔离是指在电路中避免电流在两个区域之间流通，确保没有实际的电气连接，它主要有两方面的作用：保障人员和设备的安全：电气隔忠可以使一个系统上两个电路之间保持独立，比如一个电路是强电电路，另一个是弱电电路，如果没有进行电气隔离，一旦发生故障，强电电路的电流直接流到弱电电路,那将会对人员造成触电的伤害，或对电路及设备造成损害.提尚电路的抗干扰能力：电气隔高可以去除两个电路之间的接地环路，可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，让电子系统具有更高的安全性和可靠性。电子工程师在进行电路设计时，仃很多隔离方案可供选择，比如变压罂和维电器等。但最有效和常用的隔离罂件还是光电耦合器与数字隔离器.光电耦合器：光电耦合器也叫光电隔离器，筒称光耦，由发光源和受光器两部分组成，组装在同一个封闭的空间内。数字隔离器：近些年发展起来的数字隔离罂基于CMOS工艺,可为电子系统中数字和模拟信号的传递提供很好的电阻隔离特性.作为专门的电气隔离器件，光耦和数字隔离器己经广泛应用在各个领域的电气和电子系统设计中。本文将主要讲述这两类器件的优缺点及其应用方案。图一：光耦合器基本原理光耦隔离的优点和缺点光耦是上世纪70年代发展起来的隔离器件，它以光为媒介传输电信号，时输入、输出电信号有良好的隔高作用。由于光耦的体积小、寿命长、无触点，具备抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输信号等优点，在电子电路设计上得到了广泛应用。光耦目前已成为种类最多、用途最广的光电器件之.包括晶体管耦合器、高速集成电路输出耦合器、:端双向可控硅耦合器以及光控继电器等，广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大及固态继电器(SSR)4仪器仪表、通信设备及微机接口中。速度和功耗是设计工程师最为看重的光相参数指标.不同的应用对光耦的速度要求也有所不同，例如在通信应用中，DCviCCNet规定了相对较低的数据速率，包括125kBd、250kBd和50()kBd.传播延迟要求小于40ns；CAN总线规定了125kBd低速和IMBd高速数据速率，但对传播延时没有严格的要求:Profibus发送数据则耍求在12MBd范围内，并规定J'隔离器、收发潘和连接本身的PWD总延时。在功耗方面，一些超低功耗光电耦合潺产品采用独特的集成电路设计和厚绝缘层材料，在不影响隔离和绝缘性能的条件下可大幅度降低功耗，适合RS485、CANBus和12C等通信接口、微处理器系统接口，以及A/D和D/A等模数转换应用的数字隔离。除了速度和功耗外，光耦产品也正在趋向于低电压特性。由于越来越多的电了产品转向更低的供电电压，这也要求光耦具有低电压特性以满足系统的需求。此外，随着系统集成度不断提高，工作环境日趋严格，光耦产品的体积、工作温度也开始受到前所未有的挑战。近二三十年来，容耦、磁耦、阻耦、CMOS数字、Si02等新型隔离器层出不穷，给光耦带来了很大的冲击，有逐渐被替代的危险。国外和国内光耦厂商经过近50年的发展，全球光耦产业格局已趋于稳固。日美系品牌以高阶光耦称霸市场，台系乱牌垄断中低端光耦一半以上的产能，而国产光耦品牌则凭借2019年国产替换''的风口，也逐渐走到台前。在国内市场，销传和利润占比最高的是日美系光耦，其中代表厂家有：AVAGO（安华高）、FAIRCHI1.D（仙童）、V1.SHAY（威世）、ISOCoM（安数光）、OSRAMOPtO（欧司朗）、C1.ARE（克莱尔）、IXYS（艾赛斯）、TOSH1.BA（东芝）、RENESAS（瑞济）、NEC（FPU）.PANASoN1.C（松卜）、SHARP（夏普）、OMRoN（欧姆龙）、KoDENSHK可天士）等。而光耦出货量最大的是台系厂商，基本垄断了低阶市场50%60%的产能，代表企业有IJTE-ON（光宝）、EVER1.1.GHT（亿光）、CTM1.CRO（兆龙）、CoSMo（冠西）、KINGBR1.GHT（今台）和BRIGHTe百鸿）等.至于国产光耦品牌，ORIENT（奥伦德）、KENTO（匡通）、重庆光电技术研究所和YD（优达光）等新秀企业正在崛起，数字隔离的优点和缺点直至1990年布三期,入耦基本上是市场上唯一的解决方案.由于光耦合器使用来自1.ED的光通过隔离屏障传输数据，因此在数据传输应用中，1.ED打开时为逻辑高电平（1.OgiCH1.GH）,而关闭时为逻辑低电平（1.ogic1.OW）,这意味着在传输的过程中会持续产生功耗。然而，以CMOS为基础的数字隔离器使用电感（磁性）或电容耦合来传输讯号，有较快速的传输响应，可以利用编码来表达逻辑高电平和逻辑低电平。因此数字隔离器能在长时间的高电平下减少功柞，同时能够处理复杂的双向接口，如485和I2C。采用数字隔离器替代光耦具有如下好处：提高数据速率和时序特性集成多个隔高通道和其它功能，可缩小尺寸、降低成本功耗比光耦节省高达90%连接其它数字罂件所需的外部元件最少无需光耦所用的1.ED,提高可靠性此外，数字隔高器有较佳的共模瞬态抗扰度（CommonModcTransicntInimunity.CMT1.）性随。CMT【对隔离效果非常重要，因为高摆率（高频率）瞬变可能会破坏隔离栅之间的数据传输。CMT1.通常以千做伏每微秒（kVus）为单位进行测量，指的是隔离罂介于输入和输出之间拒绝噪声的能力。高CMT.盘味若较强的隔离能力，数字隔离器的CMTi可达2kVus,而光耦合涔普遍较低。体积大小JB用性i度依耐住舄，外围电路复杂简单EW曙间M?1.½fi与阳Wa当寿命短长功耗高低时序性能高延盹Ue移,SH-SJ1.ie低延时和集移，器件TI性好击生电容大小成本低高表-：光耦与数字隔离的优缺点对比数字隔离的优点包括高速、长寿命、停棒性、良好的时序规范和更低的功耗等。但是，数字隔离元件在很多中低端应用中并不具有成本竞争力。此外，对于某些应用而言，光耦已经得到久经考验且十分可靠;，数字隔离器要想密代光耦并非易事，设计人员不太愿意冒尝试新技术的风险。光学、磁性或电容隔离等不同隔离方案的选择格取决于特定客户的需求、具体细节和具体应用-这些利弊并不会随若时间的推移而发生实质性变化。国外和国内数字隔离厂商近年来，随着CMoS工艺的不断进步,数字隔离技术开始发展起来，并逐步被市场认可。各种光耦替代技术也乂出不穷，诸如电容陶寓(容相一TI、SiIiconUbs和纳芯微)、电磁隔离(磁耦-ADD等。ADI于10多年前为寻求光耦合器普代方案而开发出iCoup1.cr数字隔离器，它融合了高带宽片内变压器和精细CMoS电路,为设计人员改善了可鸵性、尺寸、功耗、速度、时序精度和易用性.ADI数字隔离器利用低应力悻膜聚酰亚胺绝缘层实现数千伏的隔离，可以将其与标准硅Ie集成在单芯片上，形成单通道、多通道和双向配厘，此外，它还能鼓入其它数据采集、通信和控制【C,使得设计人员能够全心专注于系统功能的完善，而不必担心隔离问题。近年来，虽然AD1.始终占据着数字隔离市场的龙头地位，但SiIiCOnIab、和镌州仪器也通过有效的业务扩展达到了与AD1.相近的水平，形成了三足鼎立的市场格局。NVE的业务增长虽然不如其他公司，不过仍十分活跃。目前，英特锡尔、美信、恩智浦、意法半导体、罗姆公司等公司也开始在市场上销售数字隔离相关产品。本土数字隔高厂商虽然起步较晚，但乘若“国产替代'的东风，也开始迅速发展起来。产品已经量产并具有一定市场影响力的国产数字隔离器厂商有：苏州纳芯微电子、上海荣湃，以及上海川土微电子。数字隔离的典型应用案例隔岗应用在工业领域最为常见，例如工厂自动化、流程控制、P1.C或可编程自动化控制器(PAC).马达驱动控制和不间断电源(UPS)等设备。工业自动化是隔离器的最大市场，工业系统设计者们非常重视CMOS隔离器所带来的好处，比如高温环境操作、优异的组件匹配性、减少偏移和急耐噪性等.对于隔底式开关电源，传统的误差放大器大多采用光耦方案，光耦反馈可以应对绝大多数电源应用场景，但该方案有其局限性电源光耦反馈模块工作温度通常不超过100G传输特性相对较慢，传输延时会随时间增加而变长,环路响应慢。此外，在工业应用场景，光耦反馈方案精度较为一般。纳芯微基于电容隔施技术研发出高可靠性隔离误差放大器NSi31.9O,它具有高带宽、裔精度、高可靠性等特性，可满足汽车级工作温度要求(-40oC125C).这种隔离涔能够在单芯片上同时支持电压型输出和电流型输出，可完美替代传统的光电耦合器方案.ImCINS1.319OBI瞥a方*点«"三*三>.AaatCM««*uff4*M痛点全部解决!，XCE-ymroAnoi*wrr<*wI<H2<”_Id图二：纳芯微鞋于电容隔离技术的数字隔离器可以替代传统的光电描合器时于高低电平信号的传输，有的工程册可能会认为用光耦更划算，光耦在雎颗元件成本上确实具备优势，但综合考虑整体方案成本及性能，数字隔离方案在一些场景中仍是优选方案.具体来看，光耦最大的缺点是对温度的依耐性非常高，温度变化引发的光耦性能变化会导致电路性能下降，因此在高温工作环境与对体积要求高的应用场合，数字隔离落是更好的光耦替代方案。数字隔离器在汽车市场上也找到了用武之地。尽管传统的内燃机(ICE)驱动汽车几乎不用隔离器，但自从电动车问世以来，电路和系统设计正逐渐改变.目前EV或各式各样的混合动力车辆(HEV)通常配置200V400V高电压电池,未来的电挎是采用更高电压的电池，藉此达到更高的功率和/或电池容量以及续航能力。这种高电压电池必须使用隔离冷，以确保汽车内不同电压场域的安全性和讯号传输。许多汽车制造大厂竞相投入EV/HEV布局，为优化高温操作、稳定性和抗噪性，汽车产业成为数字隔离器技术的主要驱动力。EVfHEV的终端应用如电池管理系统(BMS)和车载充电器(OBC),也加速推动着市场对隔离涔的需求。纳芯微基于其特有的“Adap1.i、，CooK”技术，研发出新一代增强型数字隔离芯片NSi82xx系列。该系列产品满足VDE加强绝缘标准，并符合AEC-Q1.oO汽车级规范，在浪涌耐压能力、ESD能力以及抗共模瞬态干扰度等技术指标上均有大幅度提升，可应用于各类高隔离耐尿及需要加强绝缘认证的第杂系统中。NSi82xx系列将抗共模瞬态干扰能力提升至2()0kVus以上，使得该产品具有更强的可靠性和稳定度，更加符合GaN、MoSFE等高速开关场合对快速瞬态干扰免疫的严苛要求。基于满足加强绝缘标准的隔离工艺，NSi82xx的内部隔离层耐用提升至12kVrms以上，浪涌耐压提升至IOkV以上，并使其达到双边ESD耐压超过5kV,绝缘工作电压超过15(X)V11ns的能力.该隔离工艺已经过充分的可靠性验证，满足批量产品化要求，该系列数字隔离芯片可应用在通信、数字电源、工控、光伏、新能源汽车等系统中，特别适合于对隔离耐用要求较高、需要加强绝缘的各类严苛应用环境。采用创新的&pt，VeOOK»*.大幅援升BT1.能力离射任、高可靠性的汽车ta封笈设计保力电路设计图三：纳芯微基于“AdaPtiVCOOK”技术研发的新一代增强型数字隔离芯片NSi82xx系列数学隔离的市场发展趋势IO年前，非光学数字隔离还是一个非常小的市场，2010年市场规模仅为5.400万美元，根本就没有引起光耦制造商们的重视。近5年来，数字隔离销告大幅增K,至2018年全球市场规模已增至3.43亿美元。IHSMarkit预计，到2024年这一细分市场将增长一倍以上，达到767亿美元Wor1.dwidemarketfor博。IahOnbyproducttype-Opeca1.3at8NonOpbca1.3X8图四：IIISMarki1.对隔离泯件市场的预测从现在到2024年，工业应用仍耨是隔离器件最大的市场。不过，这期间的大部分增长将主要来自汽车行业，特别是电动车辆。目前还不清楚在汽车市场是光耦还是非光学数字隔离器件会胜出，但两者的机会都很多。中国是光耦产品的消敢主战场.目前，国内光耦的需求主要集中在中低湍的消费类、通用类领域，例如手机充电器和电水表等。除了消蚀电子，光耦器件在工业、汽车电子等应用中已逐渐成熟。数字隔离器集成C替代低阶光耦是一种趋势。现在有很多USB接口就自带电路保护功能，集成Ie方案可以让元罂件更集成化，且成本更低，适合需耍严格成本控制的终端厂家。此外，在一些新兴的应用市场，比如氮化钱快充充电器，数字隔齿器可以与械化锦器件更好地配合，符逐渐为电子工程师所接受而成为主流的隔离咨代方案。隔离器件虽然相对狭小，市场规模不大，但却是所有电子产品和设备系统必不可缺的元件，因为人身和设备安全、电磁干扰及物联网设备的普及对电气隔离提出了更高的要求。在未来相当一段时间内，光耦涔件和数字隔离器件都将并存发展，在各自擅长的应用领域继续增长。但是,从光耦到数字隔离是未来的发展趋势，后者将逐渐替代前者而成为主导型隔离方案.同样地.长期以来一直被国际大厂所垄断的隔离市场也会逐渐被本土厂商打破，在全球经济不确定性和中美科技冷战的大环境卜.，“国产侨代''将为纳芯微等本土厂商提供前所未有的发展机会和巨大的增长空间。隔离发展趋势下的国际标杆数字隔离器数字隔高器是一种在电气隔离器状态下实现数字信号传递的器件，充当提供电流隔离数字信号路径的基本功能。电子系统中，数字信号和模拟信号进行传递时，数字隔离器使其I1.具有很高的电阻隔离特性，以实现电了系统与用户之间的隔离.之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免安全风险。然而，不可避免的，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在於可能减小不利影响的同时满足安全要求,目前数字隔离器主要有光耦型陶离器、磁耦型隔离器、容耦型隔离器三种类型。此前最常见的光耦数字隔离器虽然能满足常见隔离要求，但寿命短功耗大，目前被逐步取代。容耦采用片上电容原理实现信号的隔离传输,寿命长、功耗低、传辘速率高。磁耦型在容耦的基础上能额外传递能狂，可以极大拓展隔离器的应用领域。TI数字隔离涔11的基础里数字隔离器与增强型数字隔离器在高工作电压、低辐射、低功耗以及而效率上很有优势“隔离材料上T1.系列一般使用专有二氧化硅（SiO2）绝经棚来实现这些性能。除了基本的性能要求，T1.的数字隔离器在小尺寸或者成本敏感应用上也都能满足。1.SO67xx系列是容耦型数字隔离洛,在提供出色的信号隔离性能同时主打低设计成本应用,该系列的数字隔离器可提供多种通道选项，有助r在各种应川配置（SP1.UART,CAN、RS-485、GPIO和12C信号中提高对关键电路的保护能力。从该系列下的1SO6741具体产品来看，1SO6741作为四通道数字隔离器，通过低功耗运行和电平转换提高J'设计灵活性，并支持I.71V至5.5V的宽电源电压范围。8kV（接触）ESD性能可防止维护期间对隔离器造成损坏。在数据速率上高达50MbPS,同时高达1500V的工作电压和75kVs的典型共模瞬态抗扰度。从上述指标水平来看，可以说1SO6741提供了牢不可破的隔离屏障。如果说ISO67xx系列为低成本应川提供了绝佳的选择的话，那ISO70nx系列则提供了业内顶尖的超低功耗。SO67xx全系列产品能以超低功率运行，每通道电流消耗低至4.2UA,总电流在IOkbps时消耗小于20UA,并且功率可扩展至2Mbpso在低功耗的同时，ISO67xx支持3kV11ns的隔离电压、典型值为100kV/s的共模瞬态抗扰度，这样的隔离强度足够可靠。(ISO674I.TI)ADI数字隔离器ADI的数字隔离器是磁耦型数字隔离器，利用Coup1.er技术来实现无限制的设计。整体来看AD1.的数字隔离器在瞥棒性以及多通道灵活性(多达6通道)上拥有很大优势。VooiGNDiADuM141E1SI1.I1.ENeoDE1.ENCODE卜建IDECODEENCODE卜(DECODE卜JE1I!I1.VoO2GND2VoaVobVocV10VejGND2!»15'4IDECODE1'I1IDECoDE卜IENCoDE(ADuM141ES,ADDADuMI41ES,应用于航空航天的150MBPS四通道数字隔离器，采用了AD1.专利iCoup1.er®技术。这些隔离元件集高速、互补金属氧化物半导体(CMOS)和整体式空芯变压器技术丁一身，能够提供更出色的性能特点。从具体数值来看，ADuMI4IES在5V运行时，最大传播延迟为13.5ns,脉宽失真低于3ns,共模瞬变抗扰度很高，能做到大于100kVuso同时ADuM141ES数据通道是相互独立的，并可以承受400Vrms的额定电压。此器件在1.8V-5V之间的电源电压下工作并兼容更低的电压系统，支持踏隔离势垒的电压转换功能。低功耗也在电流值上反应了出来，150MBPS时1电源电流为17mA,2测电源电流为17.5mA,保证数据传输速率同时降低了功耗。ADuM260NENCODeHENCODEHENCODEHENCODEHOHH三KiHDECODEHDECODE4DECODEWDECODEENCoDE卜ENCODEHHDECODEdDECODE(ADuM26()N,ADI)四通道的ADuMI4IES性能已经足够强大，再来看看集成故障安全和O个反向通道的鲁棒5.0kVrrns六通道数字隔离器。共模瞬变抗扰度KM)kVus,5V时13ns传播延迟，1.8V时15ns的低延迟,最大150Mbps的数据速率,VIORM峰值849V的安全认证，1分钟5000V11ns的U1.认证，125C的高温工作环境，16引脚宽体SoIC_IC封装。的工作电压、低俑射、低功耗、高效率在上述数据中体现得淋滴尽致。东芝数字隔离器东芝的数字隔离器主婴还是应用光相，所以在性能上会弱丁上面提到的TIADI提供的高性能数字隔离器。东芝T1.P35O是较新的一款数字隔离器产品，用于各种逆变器(如工业逆变冷、UPS和光伏发电用功率调节.器)的功率元件栅极驱动ICo该器件主要实在可靠性上进行/提升，并且成本较低.T1.P35O可以通过抑制异常关断期间发生的浪涌电压上升，防止功率器件击穿。当供电电压异常和检测到过流时，会反馈故障信号。同时过流检测的软关断功能使功率器件关断更柔和。这些提升都着重于可苑性和稳定性。因为单纯从技术参数者手，光耦相比其他类型有若天然劣势.这款产品的额定电流为2.5A,这无疑是较大的功耗负担。共模瞬变抑制为25kVs,在光耦型产品中其实已经做的相当不钳了。BrOadeOrn数字隔离Broadcom一直是一家光电隔离器的领先供应商“目前提供高度可靠性军用密封式光电耦合器、用于工业应用的电潦隔离光电耦合器，以及专为满足汽车级应用的绝缘和可辨性要求设计的光电耦合器。虽然是光耦专家，但旗下ACM1.-74xx系列CMPS数字隔离器通过厚绝缘采用J'磁力揭合，具有高速度和高绝缘性能，而且在高数据速率下低功耗.HCP1.-90xx-09xx系列CMOS数字隔高器则集成了巨磁电阻(GMR)技术，具有高速的性能和优异的瞬态抗干扰度规范。ACM1.-74x0系列CMOS数字隔离器耗费少盘电量，甚至在高数据率时也是如此，还能通过紧凑表面贴装实现瞬态抑制性能.这些CMoS数字隔离器符合36ns的最大传播延迟和3ns的最大脉宽失我。它们也可以以100MBd数据率运行。在四通道ACM1.-74(X)CMOS数字隔离器中,配置单向装置，个方向有四个通道,通常每个通道都在15mA的低功耗范围内.而工作电压承受能力极高,最大可承受800Vnm。共模瞬态抑制能力也比较优秀，最小为25kVs,一般在50kVs小结数字隔离技术是隔离发展的必然趋势，而国内数字隔离器行业仍然是一个未完全开发的市场。下期将聚焦国内数字隔窗器厂商，看他们如何帮助国内市场撰开进口依赖。