為什么電路設計需要考慮電氣隔離?

凡是涉及到AC-DC或中高電壓DC-DC電源轉換的電子電路，都需要電氣隔離。電氣隔離是指在電路中避免電流在兩個區域之間流通，確保沒有實際的電氣連接，它主要有兩方面的作用：

保障人員和設備的安全：電氣隔離可以使一個系統上兩個電路之間保持獨立，比如一個電路是強電電路，另一個是弱電電路，如果沒有進行電氣隔離，一旦發生故障，強電電路的電流直接流到弱電電路，那將會對人員造成觸電的傷害，或對電路及設備造成損害。

提高電路的抗干擾能力：電氣隔離可以去除兩個電路之間的接地環路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，讓電子系統具有更高的安全性和可靠性。

電子工程師在進行電路設計時，有很多隔離方案可供選擇，比如變壓器和繼電器等。但最有效和常用的隔離器件還是光電耦合器與數字隔離器。

光電耦合器：光電耦合器也叫光電隔離器，簡稱光耦，由發光源和受光器兩部分組成，組裝在同一個封閉的空間內。

數字隔離器：近些年發展起來的數字隔離器基于CMOS工藝，可為電子系統中數字和模擬信號的傳遞提供很好的電阻隔離特性。

作為專門的電氣隔離器件，光耦和數字隔離器已經廣泛應用在各個領域的電氣和電子系統設計中。本文將主要講述這兩類器件的優缺點及其應用方案。

圖一：光耦合器基本原理(來源：Wikipedia)

光耦隔離的優點和缺點

光耦是上世紀70年代發展起來的隔離器件，它以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。由于光耦的體積小、壽命長、無觸點，具備抗干擾能力強、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號等優點，在電子電路設計上得到了廣泛應用。光耦目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一，包括晶體管耦合器、高速集成電路輸出耦合器、三端雙向可控硅耦合器以及光控繼電器等，廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大及固態繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。

速度和功耗是設計工程師最為看重的光耦參數指標。不同的應用對光耦的速度要求也有所不同，例如在通信應用中，DeviceNet規定了相對較低的數據速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，傳播延遲要求小于40ns;CAN總線規定了125kBd低速和1MBd高速數據速率，但對傳播延時沒有嚴格的要求;Profibus發送數據則要求在12MBd范圍內，并規定了隔離器、收發器和連接本身的PWD總延時。

在功耗方面，一些超低功耗光電耦合器產品采用獨特的集成電路設計和厚絕緣層材料，在不影響隔離和絕緣性能的條件下可大幅度降低功耗，適合RS485、CANBus和I2C等通信接口、微處理器系統接口，以及A/D和D/A等模數轉換應用的數字隔離。

除了速度和功耗外，光耦產品也正在趨向于低電壓特性。由于越來越多的電子產品轉向更低的供電電壓，這也要求光耦具有低電壓特性以滿足系統的需求。此外，隨著系統集成度不斷提高，工作環境日趨嚴格，光耦產品的體積、工作溫度也開始受到前所未有的挑戰。近二三十年來，容耦、磁耦、阻耦、CMOS數字、SiO2等新型隔離器層出不窮，給光耦帶來了很大的沖擊，有逐漸被替代的危險。

國外和國內光耦廠商

經過近50年的發展，全球光耦產業格局已趨于穩固。日美系品牌以高階光耦稱霸市場，臺系品牌壟斷中低端光耦一半以上的產能，而國產光耦品牌則憑借2019年“國產替換”的風口，也逐漸走到臺前。在國內市場，銷售和利潤占比最高的是日美系光耦，其中代表廠家有：AVAGO(安華高)、FAIRCHILD(仙童)、VISHAY(威世)、ISOCOM(安數光)、OSRAM Opto(歐司朗)、CLARE(克萊爾)、IXYS(艾賽斯)、TOSHIBA(東芝)、RENESAS(瑞薩)、NEC(日電)、PANASONIC(松下)、SHARP(夏普)、OMRON(歐姆龍)、KODENSHI(可天士)等。

而光耦出貨量最大的是臺系廠商，基本壟斷了低階市場50%～60%的產能，代表企業有LITE-ON(光寶)、EVERLIGHT(億光)、CT MICRO (兆龍) 、COSMO (冠西) 、KINGBRIGHT(今臺)和BRIGHT(佰鴻)等。至于國產光耦品牌，ORIENT(奧倫德)、KENTO(匡通)、重慶光電技術研究所和YD(優達光)等新秀企業正在崛起。

數字隔離的優點和缺點

直至1990年代后期，光耦基本上是市場上唯一的解決方案。由于光耦合器使用來自LED的光通過隔離屏障傳輸數據，因此在數據傳輸應用中，LED打開時為邏輯高電平 (Logic HIGH)，而關閉時為邏輯低電平(Logic LOW)，這意味著在傳輸的過程中會持續產生功秏。然而，以CMOS為基礎的數字隔離器使用電感(磁性)或電容耦合來傳輸訊號，有較快速的傳輸響應，可以利用編碼來表達邏輯高電平和邏輯低電平。因此數字隔離器能在長時間的高電平下減少功秏，同時能夠處理復雜的雙向接口，如485和I2C。

采用數字隔離器替代光耦具有如下好處：

提高數據速率和時序特性

集成多個隔離通道和其它功能，可縮小尺寸、降低成本

功耗比光耦節省高達90%

連接其它數字器件所需的外部元件最少

無需光耦所用的LED，提高可靠性

此外， 數字隔離器有較佳的共模瞬態抗擾度 (Common Mode Transient Immunity，CMTI)性能。CMTI對隔離效果非常重要，因為高擺率(高頻率)瞬變可能會破壞隔離柵之間的數據傳輸。CMTI通常以千微伏每微秒 (kV/us) 為單位進行測量，指的是隔離器介于輸入和輸出之間拒絕噪聲的能力。高CMTI意味著較強的隔離能力，數字隔離器的CMTI可達 200kV/us ， 而光耦合器普遍較低。

數字隔離的優點包括高速、長壽命、魯棒性、良好的時序規范和更低的功耗等。但是，數字隔離元件在很多中低端應用中并不具有成本競爭力。此外，對于某些應用而言，光耦已經得到久經考驗且十分可靠，數字隔離器要想替代光耦并非易事，設計人員不太愿意冒嘗試新技術的風險。光學、磁性或電容隔離等不同隔離方案的選擇將取決于特定客戶的需求、具體細節和具體應用。這些利弊并不會隨著時間的推移而發生實質性變化。

國內數字隔離器行業起步較晚，但是在市場需求推動、國產替代需求強烈等背景下，這個模擬細分市場也開始孕育出生力軍。總部位于上海青浦的川土微電子專注于射頻與隔離器芯片設計，產品包括射頻、隔離、接口系列，目前已廣泛應用于工業控制、電源能源、儀器儀表、通信網絡、電力系統等諸多領域。近日，該公司發布了最新的全系列集成隔離電源的隔離器芯片，并強調通過不斷的自主創新、技術突破、渠道融合取得企業的長足發展，開辟全新的局面。

近年來，雖然ADI始終占據著數字隔離市場的龍頭地位，但Silicon Labs和德州儀器也通過有效的業務擴展達到了與ADI相近的水平，形成了三足鼎立的市場格局。NVE的業務增長雖然不如其他公司，不過仍十分活躍。目前，英特錫爾、美信、恩智浦、意法半導體、羅姆公司等公司也開始在市場上銷售數字隔離相關產品。

本土數字隔離廠商雖然起步較晚，但乘著“國產替代”的東風，也開始迅速發展起來。產品已經量產并具有一定市場影響力的國產數字隔離器廠商有：蘇州納芯微電子、上海榮湃，以及上海川土微電子。

川土微電子推出的全系列包括集成隔離電源的隔離器芯片系列(CA-IS306X、CA-IS309X、CA-IS36XX)、基于Pulse-Coding的超低功耗電容式數字隔離器系列(CS817x)、AISG接口芯片(CA-IF4023)、±30V總線保護±15V共模輸入的RS485收發器系列(CA-IF48XX、CS48XX)等。

國內首款集成隔離電源的隔離器芯片系列

川土微電子副總經理兼首席技術官惲廷華介紹，這是國內首款集成隔離電源的隔離器芯片系列，作為公司今年力推的重磅新品，能夠在一顆芯片里同時完成信號隔離+電源隔離+RS-485/CAN收發器，具有SOP16-W, POD=10.3mm x 7.5mm x 2.5mm的小尺寸封裝，完全突破行業現有局限。在產品設計上，具有全集成微型片上變壓器、高達53%的轉換效率、高隔離耐壓5kVRMS等特點。該系列隔離器芯片通過內部集成變壓器、高集成度的隔離電源解決方案，提升了隔離電源的耐壓等級、系統可靠性及穩定性，并降低了系統設計復雜度。

其中的CA-IS36XX是增強隔離耐壓并集成DC-DC轉換器的一款芯片，它可替代傳統用分立器件組建的隔離電源方案，并且新方案使得外形尺寸更小，能夠實現完全隔離。CA-IS36XX所有器件都具有故障安全模式選項，如果輸入信號丟失，則以L為后綴的芯片默認輸出為低電平，以H為后綴的芯片默認輸出為高電平。典型應用包括工業自動化、電機控制、醫療設備、汽車電子、儀器儀表等。

CA-IS306X是一款隔離式控制區域網絡(CAN)物理層收發器，同時內部集成隔離式DC-DC轉換器，具有限流、過壓和接地損耗保護(–40V至40V)以及熱關斷功能，可防止輸出短路，共模電壓范圍為–12V至12V。可廣泛應用于CAN數據總線、工業現場網絡、樓宇和溫室環境控制自動化、安防系統、運輸、醫療、電信等領域。

CA-IS309X是集成隔離電源的隔離式RS-485/RS-422收發器，具有高電磁抗擾度和低輻射特性，可有效防止數據總線或其他電路上的噪聲和浪涌進入本地接地端，從而干擾或損壞敏感電路。高CMTI能力可以保證數字信號的正確傳輸，可廣泛應用于隔離RS-485/RS-422通信、光伏逆變器、電機驅動器等領域。

目前該系列產品已正式對外發售。

基于專利技術Pulse-Coding的超低功耗電容式數字隔離器系列

CS817X是川土微電子基于獲得授權專利的pulse-coding超低功耗容隔式數字隔離器技術打造的第三代數字隔離器系列。pulse-coding是川土微電子首創的容隔調整解調技術，已經獲得專利授權，典型應用包括鋰電池保護、白色家電、工業自動化、電機控制、隔離開關電源等。

該系列數字隔離芯片可應用在通信、數字電源、工控、光伏、新能源汽車等系統中，特別適合于對隔離耐壓要求較高、需要加強絕緣的各類嚴苛應用環境。

審核編輯：湯梓紅