國產光耦替代數字隔離器的發展

為什么在電路設計中需要考慮電氣隔離？
  所有涉及 AC-DC 或中高壓 DC-DC 功率轉換的電子電路都需要電氣隔離。 電氣隔離是指阻止電流在電路中的兩個區域之間流動，確保沒有實際的電氣連接，它有兩個主要功能：
  ●確保人員和設備的安全：電氣隔離可以使系統上的兩個電路保持獨立。 例如，一種電路是強電流電路，另一種是弱電流電路。 如果沒有電氣隔離，一旦發生故障，強電流電路中的電流直接流向弱電流電路，會造成人員觸電或電路設備損壞。
  ●提高電路的抗干擾能力：電氣隔離可以去除兩電路之間的接地回路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，使電子系統具有更高的安全性和可靠性。
  在設計電路時，電子工程師有許多隔離選項，例如變壓器和繼電器。 但最有效和最常用的隔離器件是光耦合器和數字隔離器。
  ●光耦：光耦也稱為光電隔離器，簡稱光耦。
  ●數字隔離器：近年來開發的數字隔離器基于CMOS技術，可為電子系統中數字和模擬信號的傳輸提供良好的電阻隔離特性。
  光耦合器和數字隔離器作為專門的電氣隔離器件，已廣泛應用于各個領域的電氣和電子系統設計中。 本文將主要介紹這兩類設備的優缺點及其應用方案。
光耦隔離的優缺點
  光耦是1970年代開發的隔離器件。 它以光為介質傳輸電信號，對輸入和輸出電信號有很好的隔離作用。 光耦由于體積小、壽命長、無觸點、抗干擾能力強、輸出與輸入隔離、信號單向傳輸等優點，在電子電路設計中得到了廣泛的應用。 光耦合器已成為最多樣化和應用最廣泛的光電器件之一，包括晶體管耦合器、高速集成電路輸出耦合器、可控硅耦合器和光控繼電器等。 廣泛應用于電氣絕緣、電氣扁平變換、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、脈沖放大器和固態繼電器 (SSR)、儀器儀表、通訊設備和計算機接口。
  速度和功耗是設計工程師最重要的光耦參數。 不同的應用對光耦合器的速度要求不同。 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125kBd低速和1MBd高速數據速率，但對傳播延遲沒有嚴格要求；  Profibus 在 12MBd 范圍內傳輸數據，并指定隔離器、收發器和連接本身的總 PWD 延遲。
  在功耗方面，部分超低功耗光耦產品采用獨特的集成電路設計和厚絕緣層材料，可在不影響隔離和絕緣性能的情況下大幅降低功耗，適用于RS485、CANBus和I2C等通信接口， 微處理器系統接口，以及用于模數轉換應用（如 A/D 和 D/A）的數字隔離。
  除了速度和功耗之外，光耦合器產品也趨向于低電壓特性。 隨著越來越多的電子產品轉向更低的電源電壓，這也要求光耦合器具有低電壓特性以滿足系統的需要。 此外，隨著系統集成度的不斷提高和工作環境的日益嚴格，光耦產品的體積和工作溫度也開始面臨前所未有的挑戰。 近兩三年來，電容耦合、磁耦合、電阻耦合、CMOS數字、SiO2等新型隔離器層出不窮，給光耦合器帶來了很大的沖擊，面臨逐漸被取代的危險。
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。
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。
國外和國內數字隔離廠商
近年來，隨著CMOS工藝的不斷進步，數字隔離技術開始發展起來，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出 iCoupler 數字隔離器，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 數字隔離器利用低應力厚膜聚酰亞胺絕緣層實現數千伏的隔離，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，它還能嵌入其它數據采集、通信和控制 IC，使得設計人員能夠全心專注于系統功能的完善，而不必擔心隔離問題。
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。
數字隔離的典型應用案例
隔離應用在工業領域最為常見，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。工業自動化是隔離器的最大市場，工業系統設計者們非常重視CMOS隔離器所帶來的好處，比如高溫環境操作、優異的組件匹配性、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，環路響應慢。此外，在工業應用場景，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，可完美替代傳統的光電耦合器方案。
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勢，但綜合考慮整體方案成本及性能，數字隔離方案在一些場景中仍是優選方案。具體來看，光耦最大的缺點是對溫度的依耐性非常高，溫度變化引發的光耦性能變化會導致電路性能下降，因此在高溫工作環境與對體積要求高的應用場合，數字隔離器是更好的光耦替代方案。
數字隔離器在汽車市場上也找到了用武之地。盡管傳統的內燃機（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，為了優化高溫操作、穩定性和抗噪性，汽車產業成為數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（BMS）和車載充電器(OBC)，也加速推動著市場對隔離器的需求。
數字隔離的市場發展趨勢
10年前，非光學數字隔離還是一個非常小的市場，2010年市場規模僅為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，數字隔離銷售大幅增長，至2018年全球市場規模已增至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。
從現在到2024年，工業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，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、汽車電子等應用中已逐漸成熟。數字隔離器集成IC替代低階光耦是一種趨勢。現在有很多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。