国产光耦替代数字隔离器的发展

为什么在电路设计中需要考虑电气隔离？
  所有涉及 AC-DC 或中高压 DC-DC 功率转换的电子电路都需要电气隔离。 电气隔离是指阻止电流在电路中的两个区域之间流动，确保没有实际的电气连接，它有两个主要功能：
  ●确保人员和设备的安全：电气隔离可以使系统上的两个电路保持独立。 例如，一种电路是强电流电路，另一种是弱电流电路。 如果没有电气隔离，一旦发生故障，强电流电路中的电流直接流向弱电流电路，会造成人员触电或电路设备损坏。
  ●提高电路的抗干扰能力：电气隔离可以去除两电路之间的接地回路，可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，使电子系统具有更高的安全性和可靠性。
  在设计电路时，电子工程师有许多隔离选项，例如变压器和继电器。 但最有效和最常用的隔离器件是光耦合器和数字隔离器。
  ●光耦：光耦也称为光电隔离器，简称光耦。
  ●数字隔离器：近年来开发的数字隔离器基于CMOS技术，可为电子系统中数字和模拟信号的传输提供良好的电阻隔离特性。
  光耦合器和数字隔离器作为专门的电气隔离器件，已广泛应用于各个领域的电气和电子系统设计中。 本文将主要介绍这两类设备的优缺点及其应用方案。
光耦隔离的优缺点
  光耦是1970年代开发的隔离器件。 它以光为介质传输电信号，对输入和输出电信号有很好的隔离作用。 光耦由于体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出与输入隔离、信号单向传输等优点，在电子电路设计中得到了广泛的应用。 光耦合器已成为最多样化和应用最广泛的光电器件之一，包括晶体管耦合器、高速集成电路输出耦合器、可控硅耦合器和光控继电器等。 广泛应用于电气绝缘、电气扁平变换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大器和固态继电器 (SSR)、仪器仪表、通讯设备和计算机接口。
  速度和功耗是设计工程师最重要的光耦参数。 不同的应用对光耦合器的速度要求不同。 例如，在通信应用中，DeviceNet规定了相对较低的数据速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，传播延迟要求小于40ns；  CAN总线规定125kBd低速和1MBd高速数据速率，但对传播延迟没有严格要求；  Profibus 在 12MBd 范围内传输数据，并指定隔离器、收发器和连接本身的总 PWD 延迟。
  在功耗方面，部分超低功耗光耦产品采用独特的集成电路设计和厚绝缘层材料，可在不影响隔离和绝缘性能的情况下大幅降低功耗，适用于RS485、CANBus和I2C等通信接口， 微处理器系统接口，以及用于模数转换应用（如 A/D 和 D/A）的数字隔离。
  除了速度和功耗之外，光耦合器产品也趋向于低电压特性。 随着越来越多的电子产品转向更低的电源电压，这也要求光耦合器具有低电压特性以满足系统的需要。 此外，随着系统集成度的不断提高和工作环境的日益严格，光耦产品的体积和工作温度也开始面临前所未有的挑战。 近两三年来，电容耦合、磁耦合、电阻耦合、CMOS数字、SiO2等新型隔离器层出不穷，给光耦合器带来了很大的冲击，面临逐渐被取代的危险。
国外和国内光耦厂商
经过近50年的发展，全球光耦产业格局已趋于稳固。日美系品牌以高阶光耦称霸市场，台系品牌垄断中低端光耦一半以上的产能，而国产光耦品牌则凭借2019年“国产替换”的风口，也逐渐走到台前。在国内市场，销售和利润占比最高的是日美系光耦，其中代表厂家有：AVAGO(安华高)、FAIRCHILD(仙童)、VISHAY(威世)、ISOCOM(安数光)、OSRAM Opto(欧司朗)、CLARE(克莱尔)、IXYS(艾赛斯)、TOSHIBA(东芝)、RENESAS(瑞萨)、NEC(日电)、PANASONIC(松下)、SHARP(夏普)、OMRON(欧姆龙)、KODENSHI(可天士)等。
而光耦出货量最大的是台系厂商，基本垄断了低阶市场50%～60%的产能，代表企业有LITE-ON(光宝)、EVERLIGHT(亿光)、CT MICRO (兆龙) 、COSMO (冠西) 、KINGBRIGHT(今台)和BRIGHT(佰鸿)等。
数字隔离的优点和缺点
直至1990年代后期，光耦基本上是市场上唯一的解决方案。由于光耦合器使用来自LED的光通过隔离屏障传输数据，因此在数据传输应用中，LED打开时为逻辑高电平 （Logic HIGH），而关闭时为逻辑低电平（Logic LOW），这意味着在传输的过程中会持续产生功秏。然而，以CMOS为基础的数字隔离器使用电感（磁性）或电容耦合来传输讯号，有较快速的传输响应，可以利用编码来表达逻辑高电平和逻辑低电平。因此数字隔离器能在长时间的高电平下减少功秏，同时能够处理复杂的双向接口，如485和I2C。
采用数字隔离器替代光耦具有如下好处：
●提高数据速率和时序特性
●集成多个隔离通道和其它功能，可缩小尺寸、降低成本
●功耗比光耦节省高达90%
●连接其它数字器件所需的外部元件最少
●无需光耦所用的LED，提高可靠性
此外， 数字隔离器有较佳的共模瞬态抗扰度 (Common Mode Transient Immunity，CMTI)性能。CMTI对隔离效果非常重要，因为高摆率（高频率）瞬变可能会破坏隔离栅之间的数据传输。CMTI通常以千微伏每微秒 （kV/us） 为单位进行测量，指的是隔离器介于输入和输出之间拒绝噪声的能力。高CMTI意味着较强的隔离能力，数字隔离器的CMTI可达 200kV/us ， 而光耦合器普遍较低。
数字隔离的优点包括高速、长寿命、鲁棒性、良好的时序规范和更低的功耗等。但是，数字隔离元件在很多中低端应用中并不具有成本竞争力。此外，对于某些应用而言，光耦已经得到久经考验且十分可靠，数字隔离器要想替代光耦并非易事，设计人员不太愿意冒尝试新技术的风险。光学、磁性或电容隔离等不同隔离方案的选择将取决于特定客户的需求、具体细节和具体应用。这些利弊并不会随着时间的推移而发生实质性变化。
国外和国内数字隔离厂商
近年来，随着CMOS工艺的不断进步，数字隔离技术开始发展起来，并逐步被市场认可。各种光耦替代技术也层出不穷，诸如电容隔离(容耦—TI、Silicon Labs和纳芯微)、电磁隔离(磁耦--ADI)等。
ADI于10多年前为寻求光耦合器替代方案而开发出 iCoupler 数字隔离器，它融合了高带宽片内变压器和精细 CMOS 电路，为设计人员改善了可靠性、尺寸、功耗、速度、时序精度和易用性。ADI 数字隔离器利用低应力厚膜聚酰亚胺绝缘层实现数千伏的隔离，可以将其与标准硅 IC 集成在单芯片上，形成单通道、多通道和双向配置。此外，它还能嵌入其它数据采集、通信和控制 IC，使得设计人员能够全心专注于系统功能的完善，而不必担心隔离问题。
近年来，虽然ADI始终占据着数字隔离市场的龙头地位，但Silicon Labs和德州仪器也通过有效的业务扩展达到了与ADI相近的水平，形成了三足鼎立的市场格局。NVE的业务增长虽然不如其他公司，不过仍十分活跃。目前，英特锡尔、美信、恩智浦、意法半导体、罗姆公司等公司也开始在市场上销售数字隔离相关产品。
本土数字隔离厂商虽然起步较晚，但乘着“国产替代”的东风，也开始迅速发展起来。产品已经量产并具有一定市场影响力的国产数字隔离器厂商有：苏州纳芯微电子、上海荣湃，以及上海川土微电子。
数字隔离的典型应用案例
隔离应用在工业领域最为常见，例如工厂自动化、流程控制、PLC或可编程自动化控制器（PAC）、马达驱动控制和不间断电源（UPS）等设备。工业自动化是隔离器的最大市场，工业系统设计者们非常重视CMOS隔离器所带来的好处，比如高温环境操作、优异的组件匹配性、减少偏移和高耐噪性等。
对于隔离式开关电源，传统的误差放大器大多采用光耦方案，光耦反馈可以应对绝大多数电源应用场景，但该方案有其局限性——电源光耦反馈模块工作温度通常不超过100℃，传输特性相对较慢，传输延时会随时间增加而变长，环路响应慢。此外，在工业应用场景，光耦反馈方案精度较为一般。纳芯微基于电容隔离技术研发出高可靠性隔离误差放大器NSi3190，它具有高带宽、高精度、高可靠性等特性，可满足汽车级工作温度要求（−40°C~+125˚C）。这种隔离器能够在单芯片上同时支持电压型输出和电流型输出，可完美替代传统的光电耦合器方案。
对于高低电平信号的传输，有的工程师可能会认为用光耦更划算，光耦在单颗元件成本上确实具备优势，但综合考虑整体方案成本及性能，数字隔离方案在一些场景中仍是优选方案。具体来看，光耦最大的缺点是对温度的依耐性非常高，温度变化引发的光耦性能变化会导致电路性能下降，因此在高温工作环境与对体积要求高的应用场合，数字隔离器是更好的光耦替代方案。
数字隔离器在汽车市场上也找到了用武之地。尽管传统的内燃机（ICE）驱动汽车几乎不用隔离器，但自从电动车问世以来，电路和系统设计正逐渐改变。目前EV或各式各样的混合动力车辆（HEV）通常配置200V~400V高电压电池，未来的趋势是采用更高电压的电池，藉此达到更高的功率和/或电池容量以及续航能力。这种高电压电池必须使用隔离器，以确保汽车内不同电压场域的安全性和讯号传输。许多汽车制造大厂竞相投入EV/HEV布局，为了优化高温操作、稳定性和抗噪性，汽车产业成为数字隔离器技术的主要驱动力。EV/HEV的终端应用如电池管理系统（BMS）和车载充电器(OBC)，也加速推动着市场对隔离器的需求。
数字隔离的市场发展趋势
10年前，非光学数字隔离还是一个非常小的市场，2010年市场规模仅为5,400万美元，根本就没有引起光耦制造商们的重视。近5年来，数字隔离销售大幅增长，至2018年全球市场规模已增至3.43亿美元。IHS Markit预计，到2024年这一细分市场将增长一倍以上，达到7.67亿美元。
从现在到2024年，工业应用仍将是隔离器件最大的市场。不过，这期间的大部分增长将主要来自汽车行业，特别是电动车辆。目前还不清楚在汽车市场是光耦还是非光学数字隔离器件会胜出，但两者的机会都很多。
中国是光耦产品的消费主战场。目前，国内光耦的需求主要集中在中低端的消费类、通用类领域，例如手机充电器和电水表等。除了消费电子，光耦器件在工业、汽车电子等应用中已逐渐成熟。数字隔离器集成IC替代低阶光耦是一种趋势。现在有很多USB接口就自带电路保护功能，集成IC方案可以让元器件更集成化，且成本更低，适合需要严格成本控制的终端厂家。
此外，在一些新兴的应用市场，比如氮化镓快充充电器，数字隔离器可以与氮化镓器件更好地配合，将逐渐为电子工程师所接受而成为主流的隔离替代方案。