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從光耦合器件到光學(xué)仿真器，光學(xué)仿真器延續(xù)光耦隔離技術(shù)路線

來(lái)源：電子發(fā)燒友| 發(fā)布日期：2023-10-11 10:35
光耦合器是為人熟知的隔離耦合技術(shù)，光耦作為最早出現(xiàn)的隔離技術(shù)，光耦在很長(zhǎng)一段時(shí)間里解決了不少電氣隔離問(wèn)題。而且，光耦在犧牲一部分CMTI的情況下可以做到很高的數(shù)據(jù)速率，因此其應(yīng)用場(chǎng)景一直很多。光耦的優(yōu)劣勢(shì)都很明顯，高數(shù)據(jù)速率和厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢(shì)是與生俱來(lái)的，但也面臨著在隔離上強(qiáng)度不夠等劣勢(shì)。為了保證光耦高傳輸速率的同時(shí)提升其可靠性，光學(xué)仿真器開(kāi)始嶄露頭角。
從光耦合器件到光學(xué)仿真器
光耦合隔離技術(shù)路線一度是隔離技術(shù)路線上的主導(dǎo)技術(shù)，它以光為媒介傳輸電信號(hào)，有著體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，具備抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。光耦合隔離可以將輸入端隔離，使得輸出端與輸入端完全沒(méi)有電氣聯(lián)系，避免了信號(hào)間的干擾和相互干擾的問(wèn)題，保護(hù)輸入端和輸出端的安全性。
但其弊端在于，光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強(qiáng)度都偏低，高級(jí)別的隔離需求下只能通過(guò)在器件內(nèi)做更多的物理分割來(lái)增強(qiáng)其隔離等級(jí)。即便如此，在絕大部分情況下它能達(dá)到的CMTI也都不高。
從整體性能來(lái)說(shuō)，光耦正在被其他耦合技術(shù)慢慢替代，現(xiàn)在使用光耦往往需要看應(yīng)用場(chǎng)景的取舍。為了彌補(bǔ)光耦與其他耦合技術(shù)的差距，光學(xué)仿真器被引入進(jìn)來(lái)。
光學(xué)仿真器，又稱光耦仿真器，是光耦合器的引腳對(duì)引腳替代方案，可為工業(yè)等應(yīng)用中的隔離系統(tǒng)提供更高的可靠性和信號(hào)完整性。簡(jiǎn)單易操作的直接插入替換的光學(xué)仿真器帶來(lái)了更寬的工作溫度范圍、更高的共模瞬態(tài)抗擾度和更長(zhǎng)的使用壽命。
光學(xué)仿真器是可以無(wú)縫集成到設(shè)計(jì)中的，提供和光耦等效的信號(hào)行為。從器件的外觀到行為和傳統(tǒng)光耦隔離器并無(wú)二致，但其隔離能力極大增強(qiáng)。通過(guò)SiO2屏障，光學(xué)仿真器的隔離能力得到提升，能有效阻斷高壓信號(hào)并防止接地回路，確保系統(tǒng)安全和穩(wěn)定。
光學(xué)仿真器對(duì)比光耦提升在哪里？
這種完全的上位替代能解決傳統(tǒng)光耦的劣勢(shì)，又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？眾所周知，傳統(tǒng)的光耦合器使用LED通過(guò)隔離屏障傳輸數(shù)字或模擬信息，其中光電晶體管檢測(cè)另一側(cè)的信號(hào)。而光耦合器中使用的LED在其使用壽命內(nèi)具有老化或退化效應(yīng)。LED這種特性是設(shè)計(jì)中最容易遇到的問(wèn)題。
上面提到，光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強(qiáng)度都偏低，如空氣、環(huán)氧樹(shù)脂、模塑化合物等等。光學(xué)仿真器，使用SiO2電介質(zhì)，直接將強(qiáng)度提升數(shù)倍。空氣的介電強(qiáng)度在1VRMS/μm，環(huán)氧樹(shù)脂的介電強(qiáng)度在20VRMS/μm，即便是模塑化合物也只有100VRMS/μm。而SiO2屏障的引入提供500VRMS/μm的介電強(qiáng)度，不再需要做物理分割來(lái)增強(qiáng)其隔離等級(jí)。
這種技術(shù)的引入讓光學(xué)仿真器克服了傳統(tǒng)光耦合器的局限性，CMTI得到了極大的提升，TI的光學(xué)仿真器已經(jīng)能將CMTI做到125 kV/μs以上，這是傳統(tǒng)光耦不可能達(dá)到的數(shù)值。其次，在各種溫度下光學(xué)仿真提供了更穩(wěn)定且緊湊的電流傳輸比（CTR）。
那CMTI的提升是否也是犧牲了數(shù)據(jù)速率呢，并不是，光學(xué)仿真器的數(shù)據(jù)速率不僅沒(méi)有降低，同樣能支持10Mbps以上的數(shù)據(jù)速率，高速應(yīng)用完全不用擔(dān)心速率問(wèn)題。
根據(jù)TI公布的相關(guān)資料，光學(xué)仿真器還能做到更大的帶寬和更低的功耗。根據(jù)相關(guān)信息，這類器件能進(jìn)一步擴(kuò)寬工作溫度范圍，車規(guī)級(jí)光學(xué)仿真器也會(huì)在未來(lái)出現(xiàn)。