從光耦到數字隔離器的「國產替代」之路

為什麼電路設計需要考慮電氣隔離？

凡是涉及到AC-DC或中高電壓DC-DC電源轉換的電子電路，都需要電氣隔離。電氣隔離是指在電路中避免電流在兩個區域之間流通，確保沒有實際的電氣連接，它主要有兩方面的作用：4VFEETC-電子工程專輯

●保障人員和設備的安全：電氣隔離可以使一個系統上兩個電路之間保持獨立，比如一個電路是強電電路，另一個是弱電電路，如果沒有進行電氣隔離，一旦發生故障，強電電路的電流直接流到弱電電路，那將會對人員造成觸電的傷害，或對電路及設備造成損害。4VFEETC-電子工程專輯

●提高電路的抗幹擾能力：電氣隔離可以去除兩個電路之間的接地環路，可以阻斷共模、浪湧等幹擾信號的傳播，讓電子系統具有更高的安全性和可靠性。4VFEETC-電子工程專輯

電子工程師在進行電路設計時，有很多隔離方案可供選擇，比如變壓器和繼電器等。但最有效和常用的隔離器件還是光電耦合器與數字隔離器。4VFEETC-電子工程專輯

●光電耦合器：光電耦合器也叫光電隔離器，簡稱光耦，由發光源和受光器兩部分組成，組裝在同一個封閉的空間內。4VFEETC-電子工程專輯

●數字隔離器：近些年發展起來的數字隔離器基於CMOS工藝，可為電子系統中數字和模擬信號的傳遞提供很好的電阻隔離特性。4VFEETC-電子工程專輯

作為專門的電氣隔離器件，光耦和數字隔離器已經廣泛應用在各個領域的電氣和電子系統設計中。本文將主要講述這兩類器件的優缺點及其應用方案。4VFEETC-電子工程專輯

圖一：光耦合器基本原理（來源：Wikipedia）4VFEETC-電子工程專輯

光耦隔離的優點和缺點

光耦是上世紀70年代發展起來的隔離器件，它以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。由於光耦的體積小、壽命長、無觸點，具備抗幹擾能力強、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號等優點，在電子電路設計上得到了廣泛應用。光耦目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一，包括電晶體耦合器、高速集成電路輸出耦合器、三端雙向可控矽耦合器以及光控繼電器等，廣泛用於電氣絕緣、電平轉換、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 、脈衝放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈衝放大及固態繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設備及微機接口中。4VFEETC-電子工程專輯

速度和功耗是設計工程師最為看重的光耦參數指標。不同的應用對光耦的速度要求也有所不同，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，傳播延遲要求小於40ns；CAN總線規定了125kBd低速和1MBd高速數據速率，但對傳播延時沒有嚴格的要求；Profibus發送數據則要求在12MBd範圍內，並規定了隔離器、收發器和連接本身的PWD總延時。4VFEETC-電子工程專輯

在功耗方面，一些超低功耗光電耦合器產品採用獨特的集成電路設計和厚絕緣層材料，在不影響隔離和絕緣性能的條件下可大幅度降低功耗，適合RS485、CANBus和I2C等通信接口、微處理器系統接口，以及A/D和D/A等模數轉換應用的數字隔離。4VFEETC-電子工程專輯

除了速度和功耗外，光耦產品也正在趨向於低電壓特性。由于越來越多的電子產品轉向更低的供電電壓，這也要求光耦具有低電壓特性以滿足系統的需求。此外，隨著系統集成度不斷提高，工作環境日趨嚴格，光耦產品的體積、工作溫度也開始受到前所未有的挑戰。近二三十年來，容耦、磁耦、阻耦、CMOS數字、SiO2等新型隔離器層出不窮，給光耦帶來了很大的衝擊，有逐漸被替代的危險。4VFEETC-電子工程專輯

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於穩固。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藉2019年「國產替換」的風口，也逐漸走到臺前。在國內市場，銷售和利潤佔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。4VFEETC-電子工程專輯

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。至於國產光耦品牌，ORIENT(奧倫德)、KENTO(匡通)、重慶光電技術研究所和YD(優達光)等新秀企業正在崛起。4VFEETC-電子工程專輯

數字隔離的優點和缺點

直至1990年代後期，光耦基本上是市場上唯一的解決方案。由於光耦合器使用來自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，同時能夠處理複雜的雙向接口，如485和I2C。4VFEETC-電子工程專輯

採用數字隔離器替代光耦具有如下好處：4VFEETC-電子工程專輯

●提高數據速率和時序特性4VFEETC-電子工程專輯

●集成多個隔離通道和其它功能，可縮小尺寸、降低成本4VFEETC-電子工程專輯

●功耗比光耦節省高達90%4VFEETC-電子工程專輯

●連接其它數字器件所需的外部元件最少4VFEETC-電子工程專輯

●無需光耦所用的LED，提高可靠性4VFEETC-電子工程專輯

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，指的是隔離器介於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。4VFEETC-電子工程專輯

表一：光耦與數字隔離的優缺點對比（來源：納芯微）4VFEETC-電子工程專輯

數字隔離的優點包括高速、長壽命、魯棒性、良好的時序規範和更低的功耗等。但是，數字隔離元件在很多中低端應用中並不具有成本競爭力。此外，對於某些應用而言，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並非易事，設計人員不太願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於特定客戶的需求、具體細節和具體應用。這些利弊並不會隨著時間的推移而發生實質性變化。4VFEETC-電子工程專輯

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，並逐步被市場認可。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。4VFEETC-電子工程專輯

ADI於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醯亞胺絕緣層實現數千伏的隔離，可以將其與標準矽 IC 集成在單晶片上，形成單通道、多通道和雙向配置。此外，它還能嵌入其它數據採集、通信和控制 IC，使得設計人員能夠全心專注於系統功能的完善，而不必擔心隔離問題。4VFEETC-電子工程專輯

近年來，雖然ADI始終佔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。4VFEETC-電子工程專輯

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。產品已經量產並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。4VFEETC-電子工程專輯

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。4VFEETC-電子工程專輯

對於隔離式開關電源，傳統的誤差放大器大多採用光耦方案，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。納芯微基於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晶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。4VFEETC-電子工程專輯

圖二：納芯微基於電容隔離技術的數字隔離器可以替代傳統的光電耦合器（來源：納芯微）4VFEETC-電子工程專輯

對於高低電平信號的傳輸，有的工程師可能會認為用光耦更划算，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。4VFEETC-電子工程專輯

數字隔離器在汽車市場上也找到了用武之地。儘管傳統的內燃機（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。許多汽車製造大廠競相投入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。4VFEETC-電子工程專輯

納芯微基於其特有的「Adaptive OOK」技術，研發出新一代增強型數字隔離晶片NSi82xx系列。該系列產品滿足VDE加強絕緣標準，並符合AEC-Q100汽車級規範，在浪湧耐壓能力、ESD能力以及抗共模瞬態幹擾度等技術指標上均有大幅度提升，可應用於各類高隔離耐壓及需要加強絕緣認證的複雜系統中。4VFEETC-電子工程專輯

NSi82xx系列將抗共模瞬態幹擾能力提升至200kV/us以上，使得該產品具有更強的可靠性和穩定度，更加符合GaN、MOSFE等高速開關場合對快速瞬態幹擾免疫的嚴苛要求。基於滿足加強絕緣標準的隔離工藝，NSi82xx的內部隔離層耐壓提升至12kVrms 以上，浪湧耐壓提升至10kV以上，並使其達到雙邊ESD耐壓超過15kV、絕緣工作電壓超過1500Vrms的能力。該隔離工藝已經過充分的可靠性驗證，滿足批量產品化要求。4VFEETC-電子工程專輯

該系列數字隔離晶片可應用在通信、數字電源、工控、光伏、新能源汽車等系統中，特別適合於對隔離耐壓要求較高、需要加強絕緣的各類嚴苛應用環境。4VFEETC-電子工程專輯

圖三：納芯微基於「Adaptive OOK」技術研發的新一代增強型數字隔離晶片NSi82xx系列（來源：納芯微）4VFEETC-電子工程專輯

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製造商們的重視。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。4VFEETC-電子工程專輯

圖四：IHS Markit對隔離器件市場的預測（來源：IHS Markit）4VFEETC-電子工程專輯

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。4VFEETC-電子工程專輯

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錶等。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。4VFEETC-電子工程專輯

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。4VFEETC-電子工程專輯

結語

隔離器件雖然相對狹小，市場規模不大，但卻是所有電子產品和設備系統必不可缺的元件，因為人身和設備安全、電磁幹擾及物聯網設備的普及對電氣隔離提出了更高的要求。在未來相當一段時間內，光耦器件和數字隔離器件都將並存發展，在各自擅長的應用領域繼續增長。但是，從光耦到數字隔離是未來的發展趨勢，後者將逐漸替代前者而成為主導型隔離方案。同樣地，長期以來一直被國際大廠所壟斷的隔離市場也會逐漸被本土廠商打破。在全球經濟不確定性和中美科技冷戰的大環境下，「國產替代」將為納芯微等本土廠商提供前所未有的發展機會和巨大的增長空間。4VFEETC-電子工程專輯

責編：Amy Guan4VFEETC-電子工程專輯

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