現代電子系統在工業自動化、電信基地台和電動車(EV)車載充電器(OBC)的多樣設計方面正面臨著一系列獨特的挑戰,包括:

  • 高壓安全性──保護電子控制設備和操作人員安全;
  • 在具備相對較高接地電位差的子系統之間進行有效通訊;
  • 防止電氣雜訊破壞靈敏訊號;

而透過在電路設計中導入電流隔離器則可克服這些挑戰。電流隔離器是阻擋任何電流流通的元件,其可於絕緣閘上耦合電子資料或控制訊號,因此能在傳輸訊號的同時阻擋雜訊。此外,絕緣閘還能保護設備和操作人員免受高電壓影響。

光耦隔離器

光耦合元件是最早的隔離器,也稱為光耦隔離器或光耦合器,簡稱「光耦」(optos)。第一代光耦於1960年代取得專利。早期的型式包括微型白熾燈泡一次側上的透明(光學透明)塑膠,作為絕緣或介電層和光路,以及次級側上透過光照進行調節的光敏電阻器。之後開發出更精良的光耦合元件,以便利系統設計者工作。

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圖1:光耦合和電容耦合CMOS隔離器的基本操作原理

這些基本上都是一次側上某種發光結構(微型燈泡被以半導體為材料的發光二極體或LED取代),再加上多樣類型的感光元件,如光敏電阻器、光電電晶體、光電二極體或三端雙向閘流器(TRIAC),使裝置適用於直流和交流的各種應用。

直至1990年代後期以CMOS為基礎的數位隔離器發展出之前,光耦基本上是唯一的解決方案。數位隔離器使用電感(磁性)或電容耦合來傳輸訊號,圖1強調光耦合器和數位隔離器之間的技術差異。圖2為光耦合器和數位隔離器的X光圖,具體展現這些元件的物理結構。

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圖2:光耦合器元件(左)和數位隔離器元件(右)的X光圖

光耦的老化特性相當明顯,在恆定電流下LED的量子效率(定義為總電子量與入射光子的比值)隨著時間衰減,這是因為PN接面的電氣和溫度應力漸增的原因。這將影響光耦合器的長期穩定性和操作,特別是在高溫操作環境更加明顯。設計者可以藉由一些方法延緩老化:

  • 縮短實際使用壽命;
  • 調降二極體的電流和環境溫度;
  • 避免瞬間極大電流。

當然,上述這些操作方法限制了使用案例,即使隔離器在本體存在這種條件的系統中最為有用。數位隔離器則沒有這些物理限制。光耦透過PN接面的二極體產生作用,所以轉換速率相對較慢。因此,光耦的資料傳輸率較慢,傳輸延遲和偏移也更加明顯。

產業趨勢和CMOS數位隔離器

在頻寬需求和耗電量日漸成長的情況下,以CMOS為基礎的數位隔離器提供一個理想的解決方案。隔離應用在工業市場中最為常見,例如工廠自動化、製程控制、可程式化邏輯控制器(PLC)或可編程自動化控制器(PAC)、馬達驅動控制和不斷電供應系統(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,包括高溫環境操作、優異的元件匹配性、減少偏移和高耐噪性。

其他重要應用包括用於電信基地台和伺服器的隔離電源,這些都為日新月異的網際網路世界提供基礎設施動力。隔離電源製造商是數位技術的早期採用者,這些電源主要應用於伺服器和電信基地台。功率密度是市場上的關鍵參數,或稱為W/mm3,有助於全球綠色組織倡導環境保護,提升能源使用效率並減少耗損。事實證明,高效能系統意味著更少的熱能損失,因為不需要繼續使用大型的散熱片佔用空間,所以能夠進一步縮小系統尺寸。相較於光耦,CMOS數位隔離器技術的最大影響在於這些新型隔離元件的時序特性。

數位隔離器和LED以轉換PN接面為基礎來進行訊號傳輸不同,轉換率因此大幅提升。結合標準矽晶CMOS技術採用較小幾何尺寸、高重複性和穩定製程所提供的優勢,時序參數例如傳輸延遲、脈衝寬度失真或偏移、元件匹配性和共模瞬變抗雜訊能力(CMTI)等,都有極大的改善。在隔離器產業中,CMTI基本上代表共模雜訊耐受能力,以電壓迴轉率kV/?s做為標準。光耦受限於採用化合物半導體的製程技術,較適用於光學應用,不適合做成其他快速和高精確性的元件。數位隔離器的既有優勢在於協助電源OEM廠商更有效控制功率轉換器的迴路時序,以進一步提高效率。

數位隔離器也在汽車產業中開創了新興市場,儘管傳統的標準內燃機(ICE)驅動汽車幾乎不採用隔離器,但自從EV問世以來,這些應用逐漸改變。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,未來的產業趨勢採用更高電壓的電池,藉此達到更高的功率和/或電池容量以及續航力。這種高電壓電池必須使用隔離器,確保汽車內不同電壓場域的安全性和訊號傳輸。許多汽車製造大廠競相投入EV/HEV佈局,為了優化高溫操作、穩定性和抗噪性,汽車產業成為數位隔離器技術的採用先驅。EV/HEV的終端應用如電池管理系統(BMS)和充電器,加速推動市場上對隔離器的需求。

光耦佔據了隔離器市場的絕大部分,甚至在高性能市場(資料速率至少為1Mbps的隔離器產品和閘極驅動器等特定產品)也是如此。儘管光耦受限於固有的性能缺陷,在市場上仍然具備一些優勢。最大的優勢,為幾十年來光耦一直是實務上的解決方案,設計人員對使用光耦感到放心和更加安全,畢竟隔離器屬於安全元件。

相較早期只能提供基本絕緣(約2.5kV絕緣等級)的普通產品,數位隔離器技術不斷成熟。如今,數位隔離器可提供強化和雙倍絕緣等級(5kV或更高),而能和光耦的安全性相提並論。光耦的另一個優點是它們本質上不受外部電磁(EM)場影響和極低的輻射電磁雜訊,這對充滿高電磁設備的工業市場特別重要,例如工廠廠房的重載感應馬達和電子系統均會受到這些外部電磁的干擾。

相較於電磁耦合數位隔離器,電容耦合數位隔離器對外部電磁場具備高度隔離性和低輻射性。一般而言,數位隔離器在時序特性、壽命穩定性、CMTI和高溫操作方面具備優勢。表1簡要說明了光耦和CMOS數位隔離器的優缺點。數位隔離器產品的成長率大約是整體隔離市場的兩倍,顯示終端用戶對於將傳統光耦轉換為數位隔離器充滿信心。

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表1:光耦合器和數位隔離器比較

相容性和安全標準

隔離安全標準扮演著相當重要的角色,可確保終端用戶選用的隔離解決方案通過全球標準測試和檢驗,並具備良好效能。在這方面,數位隔離器製造商和光耦製造商認為終端用戶才是最終的受益者,因此合作定義出全新的相容性標準,該標準並非單純地依循舊法,而是針對光耦合器和CMOS數位隔離器之間,製造和設計的差異定義出的具體標準。這項新的VDE 0884-11標準已經發表生效。此外,即將發佈的IEC標準版本──IEC 60747-17也將為客戶舒解以往的擔心。

結論

CMOS基礎的數位隔離器充分利用了最先進的半導體技術,提供系統設計者優於傳統光耦元件的關鍵優勢。正如同所見,這些優勢逐漸改變遊戲規則,並有助於塑造電源供應、綠色能源和汽車等產業的發展,並持續推動其他創新市場。

本文同步刊登於EDN電子技術設計2018年10月平面雜誌