簡(jiǎn)介

電流隔離是保護(hù)所有與人體或其他電路接口的電子設(shè)備免受可能從數(shù)十伏到千伏的高壓事件的必要保護(hù)形式。隔離作為一種保護(hù)形式，要求兩個(gè)電路之間的通信通過絕緣或隔離柵進(jìn)行，從而防止電流在電路之間直接流動(dòng)。

在過去的幾十年里，用于隔離電路的技術(shù)已經(jīng)從基于光學(xué)的轉(zhuǎn)向基于硅的- 但這些技術(shù)到底有什么不同呢?光耦合器如何工作?

如圖1所示，光耦合器由輸入LED、接收光電探測(cè)器和輸出驅(qū)動(dòng)器組成。驅(qū)動(dòng)器電路和LED電路通常使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)構(gòu)建，絕緣或隔離柵通常由模塑料組成。光耦合器隔離器的輸入和輸出都需要通過陽極和集電極引腳連接的單獨(dú)電壓電源，以及通常連接在陰極和發(fā)射極引腳上的單獨(dú)接地，以保持輸入和輸出之間的信號(hào)隔離。

圖1：帶引腳排列圖的光耦合器

當(dāng)施加的CMOS邏輯輸入產(chǎn)生輸入側(cè)電流時(shí)，光耦合器內(nèi)就會(huì)發(fā)生通信，然后產(chǎn)生成比例的LED輸出，用于通過模塑性屏障傳輸?shù)浇邮展怆娞綔y(cè)器和輸出。

光耦合器的隔離性能由LED、輸入和輸出之間使用的模塑料以及通過模塑料的距離的組合決定。由于模塑料是隔離柵強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，因此其質(zhì)量在光耦合器的使用壽命、可靠性和性能中起著重要作用。

包括美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)和電子技術(shù)協(xié)會(huì)(VDE)在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)確定了光耦合器評(píng)級(jí)，這些評(píng)級(jí)專門定義了“通過絕緣的距離”，以適應(yīng)制造過程中的模塑料變化，以及局部放電測(cè)試，以識(shí)別在壓力下可能影響隔離性能的模塑料缺陷。光耦合器標(biāo)準(zhǔn)歷來不包括壽命可靠性性能數(shù)據(jù)或持續(xù)施加的高壓高壓應(yīng)力測(cè)試，因此其持續(xù)的長(zhǎng)期性能和可靠性可能會(huì)有很大差異。

硅基隔離器如何工作?

硅基隔離技術(shù)基于CMOS技術(shù)，由兩個(gè)獨(dú)立的集成電路(IC)芯片組成——一個(gè)輸入電路和一個(gè)輸出電路——通過鍵合線連接以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。

圖2：數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)的橫截面

如圖3所示，數(shù)字隔離器的輸入和輸出側(cè)都需要單獨(dú)的電壓電源(VCC1、VCC2)和單獨(dú)的接地(GND1、GND2)，以保持輸入和輸出之間的信號(hào)隔離。

當(dāng)將晶體管-晶體管邏輯或CMOS邏輯輸入施加到數(shù)字輸入時(shí)，數(shù)字隔離器內(nèi)會(huì)發(fā)生通信。輸入信號(hào)以數(shù)字方式轉(zhuǎn)換到頻域中，然后通過高壓電容勢(shì)壘，穿過連接的鍵合線到達(dá)接收側(cè)IC。

圖3：帶引腳排列圖的數(shù)字隔離器

數(shù)字隔離器電路的絕緣體可以是單二氧化硅(SiO2)電容勢(shì)壘，通過設(shè)計(jì)可以承受極高的電壓。由于絕緣柵由高介電強(qiáng)度材料(見表1)構(gòu)成，并且是在嚴(yán)格控制的晶圓廠而不是裝配線上制造的，因此不太可能發(fā)生零件之間的差異，并且隔離性能的關(guān)鍵因素是隔離技術(shù)和設(shè)計(jì)。

硅基數(shù)字隔離器的隔離額定值由一系列高壓測(cè)試確定，這些測(cè)試通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（如UL、國(guó)際電工委員會(huì)和VDE）定義。這些測(cè)試與用于確定光耦合器額定值的測(cè)試相同，如表2所示，但具有額外的高壓測(cè)試和材料額定值要求。由于高壓魯棒性和可靠性的額外測(cè)試條件，可以發(fā)布?jí)勖煽啃詳?shù)據(jù)。

表2：光耦合器測(cè)試條件/數(shù)字隔離器測(cè)試的比較

您現(xiàn)在應(yīng)該對(duì)光學(xué)隔離和硅基隔離性能之間的差異以及材料，制造甚至標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的作用有所了解。雖然光耦合器和硅基隔離器都是經(jīng)過驗(yàn)證的電路保護(hù)手段，但為您的設(shè)計(jì)確定最佳隔離解決方案的真正挑戰(zhàn)將取決于您的設(shè)計(jì)目標(biāo)：隔離器的可靠性、使用壽命和性能都在正確的技術(shù)選擇中發(fā)揮作用。

審核編輯：湯梓紅