光耦合器和硅基电流隔离技术–它们是如何工作的？

简介

电流隔离是保护所有与人体或其他电路接口的电子设备免受可能从数十伏到千伏的高压事件的必要保护形式。隔离作为一种保护形式，要求两个电路之间的通信通过绝缘或隔离栅进行，从而防止电流在电路之间直接流动。

在过去的几十年里，用于隔离电路的技术已经从基于光学的转向基于硅的- 但这些技术到底有什么不同呢?光耦合器如何工作?

如图1所示，光耦合器由输入LED、接收光电探测器和输出驱动器组成。驱动器电路和LED电路通常使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术构建，绝缘或隔离栅通常由模塑料组成。光耦合器隔离器的输入和输出都需要通过阳极和集电极引脚连接的单独电压电源，以及通常连接在阴极和发射极引脚上的单独接地，以保持输入和输出之间的信号隔离。

图1：带引脚排列图的光耦合器

当施加的CMOS逻辑输入产生输入侧电流时，光耦合器内就会发生通信，然后产生成比例的LED输出，用于通过模塑性屏障传输到接收光电探测器和输出。

光耦合器的隔离性能由LED、输入和输出之间使用的模塑料以及通过模塑料的距离的组合决定。由于模塑料是隔离栅强度的关键因素，因此其质量在光耦合器的使用寿命、可靠性和性能中起着重要作用。

包括美国保险商实验室(UL)和电子技术协会(VDE)在内的标准机构确定了光耦合器评级，这些评级专门定义了“通过绝缘的距离”，以适应制造过程中的模塑料变化，以及局部放电测试，以识别在压力下可能影响隔离性能的模塑料缺陷。光耦合器标准历来不包括寿命可靠性性能数据或持续施加的高压高压应力测试，因此其持续的长期性能和可靠性可能会有很大差异。

硅基隔离器如何工作?

硅基隔离技术基于CMOS技术，由两个独立的集成电路(IC)芯片组成——一个输入电路和一个输出电路——通过键合线连接以实现数据传输，如图2所示。

图2：数字隔离器结构的横截面

如图3所示，数字隔离器的输入和输出侧都需要单独的电压电源(VCC1、VCC2)和单独的接地(GND1、GND2)，以保持输入和输出之间的信号隔离。

当将晶体管-晶体管逻辑或CMOS逻辑输入施加到数字输入时，数字隔离器内会发生通信。输入信号以数字方式转换到频域中，然后通过高压电容势垒，穿过连接的键合线到达接收侧IC。

图3：带引脚排列图的数字隔离器

数字隔离器电路的绝缘体可以是单二氧化硅(SiO2)电容势垒，通过设计可以承受极高的电压。由于绝缘栅由高介电强度材料(见表1)构成，并且是在严格控制的晶圆厂而不是装配线上制造的，因此不太可能发生零件之间的差异，并且隔离性能的关键因素是隔离技术和设计。

绝缘子材料	介电强度
空气	~1 弗尔姆/微米
环氧树脂	~20 弗尔姆/微米
二氧化硅填充模塑料	~100 弗尔姆/微米
聚酰亚胺	~300伏特/微米
萧2	~500 弗尔姆/微米

硅基数字隔离器的隔离额定值由一系列高压测试确定，这些测试通过行业标准机构（如UL、国际电工委员会和VDE）定义。这些测试与用于确定光耦合器额定值的测试相同，如表2所示，但具有额外的高压测试和材料额定值要求。由于高压鲁棒性和可靠性的额外测试条件，可以发布寿命可靠性数据。

表2：光耦合器测试条件/数字隔离器测试的比较

	主题	VDE 0884-11 电容式和磁性数字隔离器	IEC 60747-5-5 光耦合器
		基本隔离	加强隔离	仅加强隔离
1	最大浪涌隔离电压 V断续器	测试电压 = V断续器x 1.3	测试电压 V断续器x 1.6	最小 10 kV
最小 10 kV
2	局部放电测试电压，V局部放电（M）	1.5 x 高断续器	1.875 x 高断续器	1.875 x 高断续器
3	工作电压，V断续器	基于贸发局分析	基于贸发局分析	基于局部放电测试
4	最小额定寿命	20 年 x 1.3 （安全系数）	20 年 x 1.875 （安全系数	未定义
5	使用寿命期间的故障率	1000 页/分钟	1 页/分钟	未定义
6	允许的隔离材料	萧2和薄膜聚合物	萧2和薄膜聚合物	不限

您现在应该对光学隔离和硅基隔离性能之间的差异以及材料，制造甚至标准测试的作用有所了解。虽然光耦合器和硅基隔离器都是经过验证的电路保护手段，但为您的设计确定最佳隔离解决方案的真正挑战将取决于您的设计目标：隔离器的可靠性、使用寿命和性能都在正确的技术选择中发挥作用。

审核编辑：汤梓红