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(qū)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(tǒng)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(fā)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(huán)路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，讓電子系統(tǒng)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(shù)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(fā)光源和受光器兩部分組成，組裝在同一個封閉的空間內。

●數(shù)字隔離器：近些年發(fā)展起來的數(shù)字隔離器基于CMOS工藝，可為電子系統(tǒng)中數(shù)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(shù)字隔離器已經廣泛應用在各個領域的電氣和電子系統(tǒng)設計中。本文將主要講述這兩類器件的優(yōu)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(yōu)點和缺點

光耦是上世紀70年代發(fā)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(yōu)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(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大及固態(tài)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(shù)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(guī)定了相對較低的數(shù)據(jù)速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，傳播延遲要求小于40ns;CAN總線規(guī)定了125kBd低速和1MBd高速數(shù)據(jù)速率，但對傳播延時沒有嚴格的要求;Profibus發(fā)送數(shù)據(jù)則要求在12MBd范圍內，并規(guī)定了隔離器、收發(fā)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(tǒng)接口，以及A/D和D/A等模數(shù)轉換應用的數(shù)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(tǒng)的需求。此外，隨著系統(tǒng)集成度不斷提高，工作環(huán)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(zhàn)。近二三十年來，容耦、磁耦、阻耦、CMOS數(shù)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(fā)展，全球光耦產業(yè)格局已趨于穩(wěn)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(shù)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(yè)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(yōu)達光)等新秀企業(yè)正在崛起。

數(shù)字隔離的優(yōu)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(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)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?shù)倪^程中會持續(xù)產生功秏。

然而，以CMOS為基礎的數(shù)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(shù)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(shù)字隔離器替代光耦具有如下好處：

●提高數(shù)據(jù)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(jié)省高達90%

●連接其它數(shù)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(shù)字隔離器有較佳的共模瞬態(tài)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(shù)據(jù)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(shù)字隔離器的CMTI可達 200kV/us ， 而光耦合器普遍較低。

表一：光耦與數(shù)字隔離的優(yōu)缺點對比

數(shù)字隔離的優(yōu)點包括高速、長壽命、魯棒性、良好的時序規(guī)范和更低的功耗等。但是，數(shù)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(shù)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(jié)和具體應用。這些利弊并不會隨著時間的推移而發(fā)生實質性變化。

國外和國內數(shù)字隔離廠商

近年來，隨著CMOS工藝的不斷進步，數(shù)字隔離技術開始發(fā)展起來，并逐步被市場認可。各種光耦替代技術也層出不窮，諸如電容隔離(容耦—TI、Silicon Labs和納芯微)、電磁隔離(磁耦--ADI)等。

ADI于10多年前為尋求光耦合器替代方案而開發(fā)出 iCoupler 數(shù)字隔離器，它融合了高帶寬片內變壓器和精細 CMOS 電路，為設計人員改善了可靠性、尺寸、功耗、速度、時序精度和易用性。ADI 數(shù)字隔離器利用低應力厚膜聚酰亞胺絕緣層實現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，可以將其與標準硅 IC 集成在單芯片上，形成單通道、多通道和雙向配置。此外，它還能嵌入其它數(shù)據(jù)采集、通信和控制 IC，使得設計人員能夠全心專注于系統(tǒng)功能的完善，而不必擔心隔離問題。

近年來，雖然ADI始終占據(jù)著數(shù)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(yè)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(yè)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(shù)字隔離相關產品。

本土數(shù)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(fā)展起來。產品已經量產并具有一定市場影響力的國產數(shù)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。

數(shù)字隔離的典型應用案例

隔離應用在工業(yè)領域最為常見，例如工廠自動化、流程控制、PLC或可編程自動化控制器(PAC)、馬達驅動控制和不間斷電源(UPS)等設備。工業(yè)自動化是隔離器的最大市場，工業(yè)系統(tǒng)設計者們非常重視CMOS隔離器所帶來的好處，比如高溫環(huán)境操作、優(yōu)異的組件匹配性、減少偏移和高耐噪性等。

對于隔離式開關電源，傳統(tǒng)的誤差放大器大多采用光耦方案，光耦反饋可以應對絕大多數(shù)電源應用場景，但該方案有其局限性——電源光耦反饋模塊工作溫度通常不超過100℃，傳輸特性相對較慢，傳輸延時會隨時間增加而變長，環(huán)路響應慢。此外，在工業(yè)應用場景，光耦反饋方案精度較為一般。納芯微基于電容隔離技術研發(fā)出高可靠性隔離誤差放大器NSi3190，它具有高帶寬、高精度、高可靠性等特性，可滿足汽車級工作溫度要求(?40°C~+125?C)。這種隔離器能夠在單芯片上同時支持電壓型輸出和電流型輸出，可完美替代傳統(tǒng)的光電耦合器方案。

圖二：納芯微基于電容隔離技術的數(shù)字隔離器可以替代傳統(tǒng)的光電耦合器

對于高低電平信號的傳輸，有的工程師可能會認為用光耦更劃算，光耦在單顆元件成本上確實具備優(yōu)勢，但綜合考慮整體方案成本及性能，數(shù)字隔離方案在一些場景中仍是優(yōu)選方案。具體來看，光耦最大的缺點是對溫度的依耐性非常高，溫度變化引發(fā)的光耦性能變化會導致電路性能下降，因此在高溫工作環(huán)境與對體積要求高的應用場合，數(shù)字隔離器是更好的光耦替代方案。

數(shù)字隔離器在汽車市場上也找到了用武之地。盡管傳統(tǒng)的內燃機(ICE)驅動汽車幾乎不用隔離器，但自從電動車問世以來，電路和系統(tǒng)設計正逐漸改變。目前EV或各式各樣的混合動力車輛(HEV)通常配置200V~400V高電壓電池，未來的趨勢是采用更高電壓的電池，藉此達到更高的功率和/或電池容量以及續(xù)航能力。這種高電壓電池必須使用隔離器，以確保汽車內不同電壓場域的安全性和訊號傳輸。許多汽車制造大廠競相投入EV/HEV布局，為了優(yōu)化高溫操作、穩(wěn)定性和抗噪性，汽車產業(yè)成為數(shù)字隔離器技術的主要驅動力。EV/HEV的終端應用如電池管理系統(tǒng)(BMS)和車載充電器(OBC)，也加速推動著市場對隔離器的需求。

納芯微基于其特有的“Adaptive OOK”技術，研發(fā)出新一代增強型數(shù)字隔離芯片NSi82xx系列。該系列產品滿足VDE加強絕緣標準，并符合AEC-Q100汽車級規(guī)范，在浪涌耐壓能力、ESD能力以及抗共模瞬態(tài)干擾度等技術指標上均有大幅度提升，可應用于各類高隔離耐壓及需要加強絕緣認證的復雜系統(tǒng)中。

NSi82xx系列將抗共模瞬態(tài)干擾能力提升至200kV/us以上，使得該產品具有更強的可靠性和穩(wěn)定度，更加符合GaN、MOSFE等高速開關場合對快速瞬態(tài)干擾免疫的嚴苛要求?；跐M足加強絕緣標準的隔離工藝，NSi82xx的內部隔離層耐壓提升至12kVrms 以上，浪涌耐壓提升至10kV以上，并使其達到雙邊ESD耐壓超過15kV、絕緣工作電壓超過1500Vrms的能力。該隔離工藝已經過充分的可靠性驗證，滿足批量產品化要求。

該系列數(shù)字隔離芯片可應用在通信、數(shù)字電源、工控、光伏、新能源汽車等系統(tǒng)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(huán)境。

圖三：納芯微基于“Adaptive OOK”技術研發(fā)的新一代增強型數(shù)字隔離芯片NSi82xx系列

數(shù)字隔離的市場發(fā)展趨勢

10年前，非光學數(shù)字隔離還是一個非常小的市場，2010年市場規(guī)模僅為5,400萬美元，根本就沒有引起光耦制造商們的重視。近5年來，數(shù)字隔離銷售大幅增長，至2018年全球市場規(guī)模已增至3.43億美元。IHS Markit預計，到2024年這一細分市場將增長一倍以上，達到7.67億美元。

圖四：IHS Markit對隔離器件市場的預測(來源：IHS Markit)

從現(xiàn)在到2024年，工業(yè)應用仍將是隔離器件最大的市場。不過，這期間的大部分增長將主要來自汽車行業(yè)，特別是電動車輛。目前還不清楚在汽車市場是光耦還是非光學數(shù)字隔離器件會勝出，但兩者的機會都很多。

中國是光耦產品的消費主戰(zhàn)場。目前，國內光耦的需求主要集中在中低端的消費類、通用類領域，例如手機充電器和電水表等。除了消費電子，光耦器件在工業(yè)、汽車電子等應用中已逐漸成熟。數(shù)字隔離器集成IC替代低階光耦是一種趨勢?，F(xiàn)在有很多USB接口就自帶電路保護功能，集成IC方案可以讓元器件更集成化，且成本更低，適合需要嚴格成本控制的終端廠家。

此外，在一些新興的應用市場，比如氮化鎵快充充電器，數(shù)字隔離器可以與氮化鎵器件更好地配合，將逐漸為電子工程師所接受而成為主流的隔離替代方案。

結語

隔離器件雖然相對狹小，市場規(guī)模不大，但卻是所有電子產品和設備系統(tǒng)必不可缺的元件，因為人身和設備安全、電磁干擾及物聯(lián)網設備的普及對電氣隔離提出了更高的要求。在未來相當一段時間內，光耦器件和數(shù)字隔離器件都將并存發(fā)展，在各自擅長的應用領域繼續(xù)增長。但是，從光耦到數(shù)字隔離是未來的發(fā)展趨勢，后者將逐漸替代前者而成為主導型隔離方案。同樣地，長期以來一直被國際大廠所壟斷的隔離市場也會逐漸被本土廠商打破。在全球經濟不確定性和中美科技冷戰(zhàn)的大環(huán)境下，“國產替代”將為納芯微等本土廠商提供前所未有的發(fā)展機會和巨大的增長空間。