在電子系統(tǒng)的隔離領(lǐng)域，光耦與數(shù)字隔離的較量已持續(xù)十余年。當(dāng)數(shù)字隔離器憑借更高的性能參數(shù)強(qiáng)勢(shì)崛起時(shí)，業(yè)界普遍都認(rèn)為光耦正在被取代。不過，盡管數(shù)字隔離器正在加速追趕，但光耦依舊占據(jù)著主要市場(chǎng)。

實(shí)際上，兩者并非單純的替代，而是在不同場(chǎng)景中互為補(bǔ)充，共同支撐著電子設(shè)備的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。

也正因此，目前市場(chǎng)上一方面數(shù)字隔離器的新品層出不窮，另外一方面光耦也不斷有新品誕生，還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象就是光耦仿真器的產(chǎn)品不斷增多，以更方便的替代傳統(tǒng)光耦。

光耦并未退場(chǎng)

光耦，即光電耦合器，作為隔離領(lǐng)域的老玩家，憑借電-光-電轉(zhuǎn)換機(jī)制，早已在電子產(chǎn)業(yè)中站穩(wěn)腳跟。其核心原理簡(jiǎn)單直接：輸入端的發(fā)光二極管（LED）通電發(fā)光，輸出端的光敏元件（光敏三極管、光敏二極管等）接收光信號(hào)后導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電路的電氣隔離，僅保留信號(hào)的單向傳輸能力。這種特性也使得光耦一直以來就是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)高壓與低壓之間通信的關(guān)鍵元器件。

光耦原理圖

光耦至今仍不可替代，主要源于以下幾點(diǎn)：首先源于其卓越的電氣隔離與抗干擾能力。其次，光耦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，無需復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，易于與各類邏輯電路連接，在消費(fèi)電子、家用電器、低端工業(yè)控制等成本敏感型場(chǎng)景中，至今仍是首選方案。此外，光耦無機(jī)械觸點(diǎn)、壽命長、耐沖擊，工作溫度范圍寬，在惡劣的工業(yè)環(huán)境、車載環(huán)境中，都能保持穩(wěn)定的工作性能，這些特性讓它在諸多場(chǎng)景中難以被輕易替代。最后，光耦至今誕生已有50年之久，在工程歷史積累上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

在博通一篇《光耦的魯棒構(gòu)造》白皮書中，分別測(cè)試了光耦與電容隔離兩個(gè)產(chǎn)品的可靠性。

光耦隔離器（ACPL-334J）：電源故障僅導(dǎo)致輸入 IC 燒毀，但因三層絕緣屏障的物理間距和聚酰亞胺薄膜的耐損性，絕緣屏障無任何損傷，漏電流與故障前一致，仍符合標(biāo)準(zhǔn)。

電容隔離器：電源故障引發(fā)輸入 IC 處的 SiO?電容燒毀，因單片集成工藝讓電路與隔離屏障無物理隔離，故障能量直接傳導(dǎo)至絕緣層，在特定應(yīng)力測(cè)試下，電容隔離方案的絕緣屏障可能出現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)。

也正因此，博通也給出了自己關(guān)于光耦的判斷，那就是“無與倫比的電氣隔離”。

如圖所示，根據(jù)博通的驗(yàn)證，光耦依然是更高電壓和更好EMI表現(xiàn)的選擇。

除了博通，還有諸多公司持續(xù)在光耦上投入。

比如東芝日前，宣布，最新推出四款采用小型S-VSON4T封裝的電壓驅(qū)動(dòng)型光繼電器——“TLP3407SRB”、“TLP3412SRB”、“TLP3412SRHB”和“TLP3412SRLB”。該系列新品適用于高溫環(huán)境工作的器件，最高額定工作溫度可達(dá)135°C，適合車載、測(cè)試測(cè)量設(shè)備等嚴(yán)苛場(chǎng)景中。

Vishay半導(dǎo)體VOx619A光電晶體管輸出光耦合器，專為工業(yè)和消費(fèi)電子應(yīng)用中的高性能信號(hào)隔離而設(shè)計(jì)。這些器件在很寬的輸入電流范圍內(nèi)具有大電流傳輸比率（CTR），即使在低輸入電流下也能確?？煽康男盘?hào)傳輸。VOx619A-3X0xT采用緊湊的DIP和SMD封裝，具有高達(dá)5000VRMS的優(yōu)異絕緣電壓等級(jí)，并符合UL、VDE和CQC等安全標(biāo)準(zhǔn)。

安森美HCPL2x高速10MBit/s邏輯門光耦合器設(shè)計(jì)用于需要電氣隔離和快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬮T應(yīng)用。這些安森美光耦合器由一個(gè)850nm的AlGaAs LED組成，該LED通過光學(xué)耦合與一個(gè)具有選通輸出的超高速集成光電探測(cè)器邏輯門連接。此輸出具有開集電極，從而允許有線或輸出。在-40°C至+85°C的溫度范圍內(nèi)可保證開關(guān)參數(shù)。最大5mA的輸入信號(hào)可提供最小13mA的輸出灌電流（扇出系數(shù)為8）。

數(shù)字隔離器正在快速崛起

即便光耦優(yōu)勢(shì)顯著，也無法掩蓋其固有的局限性，這也為數(shù)字隔離器的崛起留下了巨大空間。

光耦的核心短板集中在性能與穩(wěn)定性上：

其一，傳輸速率有限，多數(shù)普通光耦的傳輸速率僅為kHz級(jí)別，即便高速光耦也難以突破百M(fèi)bps，無法滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)男枨?，比如SPI接口動(dòng)輒數(shù)Mbps甚至30Mbps的傳輸要求，光耦往往難以勝任；

其二，時(shí)序性能較差，光耦的傳播延遲通常在微秒級(jí)，且存在較大的延遲偏差，在對(duì)時(shí)序精度要求極高的工業(yè)控制、通信設(shè)備中，會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)速度；

其三，功耗較高，光耦的LED需要持續(xù)的驅(qū)動(dòng)電流，且往往需要額外配置串聯(lián)電阻、上拉電阻等無源器件，不僅增加了電路板空間，還導(dǎo)致功耗居高不下——相比之下，數(shù)字隔離器的功耗僅為光耦的1/5至1/10；

其四，穩(wěn)定性受環(huán)境與壽命影響較大，LED的發(fā)光效率會(huì)隨時(shí)間老化，導(dǎo)致電流傳輸比（CTR）下降，進(jìn)而影響傳輸可靠性，而溫度變化也會(huì)顯著影響其性能參數(shù)；

其五，集成度低，單顆光耦通常僅能實(shí)現(xiàn)單通道隔離，對(duì)于需要多通道隔離的場(chǎng)景（如SPI接口需要4通道隔離），需多顆光耦組合使用，進(jìn)一步增加了電路復(fù)雜度與體積。

光耦的特殊局限性，也催生了數(shù)字隔離器的快速發(fā)展。數(shù)字隔離器以電容耦合、磁耦合為核心原理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離傳輸。

電容隔離與磁隔離技術(shù)示意

與光耦相比，數(shù)字隔離器具有諸多優(yōu)勢(shì)：在傳輸速率上，數(shù)字隔離器可輕松實(shí)現(xiàn)百M(fèi)bps甚至Gbps級(jí)別傳輸，完美適配高速接口（如SPI、Ethernet）的需求；在時(shí)序性能上，傳播延遲更低，能滿足高精度控制系統(tǒng)的要求；在集成度上，數(shù)字隔離器無需額外無源器件，集成度更高，單顆芯片可實(shí)現(xiàn)多通道隔離，更加緊湊，功耗更是大幅降低；在穩(wěn)定性上，數(shù)字隔離器無需依賴LED發(fā)光，不受老化、溫度變化的影響，長期工作可靠性更高，且抗電磁干擾能力更強(qiáng)。

不同信號(hào)調(diào)制技術(shù)對(duì)比

近年來，數(shù)字隔離器的發(fā)展勢(shì)頭愈發(fā)迅猛，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)攀升。其中工業(yè)自動(dòng)化、新能源汽車、通信基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的需求成為主要增長動(dòng)力。技術(shù)層面，數(shù)字隔離器不斷突破，不僅在隔離電壓、傳輸速率、功耗等核心參數(shù)上持續(xù)優(yōu)化，還逐步集成故障檢測(cè)、自診斷等功能，適配功能安全標(biāo)準(zhǔn)，滿足智能工廠等高端場(chǎng)景的需求。

國產(chǎn)廠商的崛起則是加速了數(shù)字隔離器的普及，納芯微、川土微、榮湃等企業(yè)通過技術(shù)突破，逐步縮小與TI、ADI等國際巨頭的差距，推動(dòng)國產(chǎn)化率不斷提升。

不同隔離產(chǎn)品性能對(duì)比

特別是納芯微，在數(shù)字隔離器領(lǐng)域市場(chǎng)占有率領(lǐng)先，是該細(xì)分市場(chǎng)的絕對(duì)龍頭。納芯微去年宣布推出基于電容隔離技術(shù)的第三代車規(guī)級(jí)數(shù)字隔離器NSI83xx系列，相比前代NSI82xx系列，新器件重點(diǎn)優(yōu)化了EMI（抗電磁干擾）、EOS（過電應(yīng)力）性能，并通過電路設(shè)計(jì)、封裝測(cè)試等方面的全面優(yōu)化，以滿足汽車應(yīng)用日益嚴(yán)苛的要求。

如今，納芯微正在從“隔離”邁向“隔離+”，以全生態(tài)產(chǎn)品矩陣構(gòu)筑系統(tǒng)安全防線?！?”不僅意味著超越基礎(chǔ)隔離標(biāo)準(zhǔn)的安全保護(hù)，為客戶系統(tǒng)打造更堅(jiān)固的高低壓屏障，也代表完整的產(chǎn)品生態(tài)——以成熟的電容隔離技術(shù) IP 為核心，涵蓋數(shù)字隔離器、隔離驅(qū)動(dòng)、隔離采樣、隔離接口和隔離電源，實(shí)現(xiàn)一站式解決方案，深度賦能大功率光儲(chǔ)充系統(tǒng)等核心場(chǎng)景。

光耦還是主要的隔離產(chǎn)品

數(shù)字隔離器的快速追趕，并不意味著光耦的退場(chǎng)。當(dāng)前，數(shù)字隔離器仍存在自身的短板與局限，這些局限恰恰是光耦得以繼續(xù)生存的關(guān)鍵。首先，數(shù)字隔離器的成本相對(duì)較高，單顆高端數(shù)字隔離器的價(jià)格是普通光耦的數(shù)倍，在消費(fèi)電子、低端家電等成本敏感型場(chǎng)景中，光耦的成本優(yōu)勢(shì)難以撼動(dòng)；其次，在某些特殊場(chǎng)景中，光耦的特性更具優(yōu)勢(shì)——比如在高壓直流隔離場(chǎng)景中，光耦的高隔離耐壓、低漏電流特性，比數(shù)字隔離器更具競(jìng)爭(zhēng)力；在需要單向信號(hào)傳輸、無需高速響應(yīng)的簡(jiǎn)單電路中，光耦的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)勢(shì)更為明顯；此外，光耦的成熟度極高，經(jīng)過數(shù)十年的市場(chǎng)驗(yàn)證，其性能參數(shù)、應(yīng)用方案已非常完善，工程師對(duì)其使用方法更為熟悉，在一些傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備、老舊系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)中，光耦仍是首選器件，無需對(duì)電路進(jìn)行大規(guī)模改造。

也正如此，不少半導(dǎo)體廠商正在推出光耦仿真器產(chǎn)品。比如TI的光耦仿真器融合了傳統(tǒng)光耦合器的優(yōu)勢(shì)和TI基于SiO?的隔離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。光耦仿真器與業(yè)內(nèi)最常見的光耦合器引腳對(duì)引腳兼容，有助于無縫集成到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，同時(shí)提供相同的信號(hào)行為。從設(shè)計(jì)工程師的角度來看，這些產(chǎn)品在外觀和行為上都與光耦合器相似，但采用了TI的SiO?技術(shù)來實(shí)現(xiàn)隔離柵。隔離柵能有效地阻止高壓信號(hào)并防止接地回路，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，使您能夠充分利用 SiO2 隔離的優(yōu)勢(shì)，包括增強(qiáng)的電氣特性、更出色的高壓可靠性以及集成額外系統(tǒng)功能的潛力。

TI針對(duì)光耦仿真器推出了數(shù)十款產(chǎn)品，甚至包括了采用增強(qiáng)型航天塑料封裝、具有模擬行為的耐輻射晶體管輸出光耦仿真器?？梢奡iO2的隔離技術(shù)正在變得越來越可靠。

日前，英飛凌也推出了EiceDRIVER 1ED301xMC12I產(chǎn)品系列，這是一系列支持光耦仿真器輸入的高性能隔離柵極驅(qū)動(dòng)器IC。該系列器件與現(xiàn)有光耦仿真器和光耦合器引腳兼容，具備高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）、強(qiáng)大的輸出級(jí)，以及比現(xiàn)有解決方案更精準(zhǔn)的時(shí)序特性。這使得工程師能夠無縫遷移到碳化硅（SiC）技術(shù)，而無需對(duì)現(xiàn)有的光電控制方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品系列非常適合對(duì)高速、可靠且支持SiC的柵極驅(qū)動(dòng)器有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏逆變器、電動(dòng)汽車充電、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。

國內(nèi)目前納芯微在光耦仿真器領(lǐng)域推出了一系列產(chǎn)品，是國內(nèi)該領(lǐng)域的主流廠商，產(chǎn)品則包括NSI721x/722x系列，這些器件具有CMTI大于100kV/μs、絕緣材料CTI水平大于600V、溫度范圍更寬的優(yōu)勢(shì)，能夠優(yōu)化成本、可靠性和速率，提升系統(tǒng)整體性能。其封裝包括SO-5、SOWW8、SOP8等常見封裝類型，支持4mm、8mm、15mm爬電距離。

總結(jié)

從行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景來看，光耦與數(shù)字隔離器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了分割。在消費(fèi)電子、家用電器、低端工業(yè)控制等場(chǎng)景，光耦憑借成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)主導(dǎo)地位；在工業(yè)自動(dòng)化、新能源汽車、高端醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景，數(shù)字隔離器憑借高速、低功耗、高集成度的優(yōu)勢(shì)，逐步替代光耦，成為核心隔離器件。

展望未來，光耦與數(shù)字隔離器的較量仍將持續(xù)，但一方面光耦不會(huì)消失，另外一方面，數(shù)字隔離器則會(huì)繼續(xù)突破技術(shù)瓶頸，降低成本、提升集成度，拓展性能應(yīng)對(duì)高端應(yīng)用，同時(shí)向國產(chǎn)化、智能化方向發(fā)展。

請(qǐng)將我們?cè)O(shè)為“星標(biāo)”，這樣就會(huì)第一時(shí)間收到推送消息。

歡迎關(guān)注EEWorld旗下訂閱號(hào)：“機(jī)器人開發(fā)圈”

掃碼添加小助手回復(fù)“機(jī)器人”

進(jìn)群和電子工程師們面對(duì)面交流經(jīng)驗(yàn)