哪種類型的光隔離器適合您的信號？

• 選擇光隔離器時的重要規(guī)格

• 隔離電壓

• 帶寬

• 線性度

• 電流傳輸比

光隔離器是一種電子設(shè)備，可用于在二極管之間傳遞信息而不傳遞電流。由于不需要在光隔離器電路的輸入和輸出之間直接傳遞電壓或電流，因此這些組件可用于在 PCB 的兩個區(qū)域中提供電氣隔離。光隔離器充當(dāng)保護機制，確保有害電流不會流過設(shè)備。

簡而言之，光隔離器的工作原理是獲取輸入電信號并使用發(fā)光二極管將其轉(zhuǎn)換為光信號，通常在近紅外光譜中工作。然后，在同一設(shè)備內(nèi)，光電二極管、光電晶體管或光電達林頓晶體管等光敏設(shè)備將光信號轉(zhuǎn)換回電信號。這為輸入端出現(xiàn)的任何電壓瞬變或過壓電平提供了屏障，以免影響光隔離器輸出端的電路。這些組件密封在不透明的封裝中，以防止外部光線的干擾。

有許多不同類型的光隔離器電路廣泛用于通信、控制和監(jiān)控系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號可能為有害電壓提供入口點，從而損壞設(shè)備。它們在易受感應(yīng)電壓瞬變或接地平面浪涌影響的長數(shù)據(jù)電纜進入包含敏感半導(dǎo)體元件的電子設(shè)備時特別有用。

值得一提的是，光耦合器和光隔離器這兩個術(shù)語經(jīng)常互換使用；但是，通常的約定是，光耦合器是可以隔離高達約 5000V 電壓的器件，而光隔離器是可以隔離超過 5000V 電壓的器件。如果您看到此約定的例外情況，請不要感到驚訝。也有不同的光隔離器速度，并且像固態(tài)繼電器這樣的快速光隔離器在數(shù)據(jù)傳輸方面將優(yōu)于二極管光隔離器。如有疑問，請研究數(shù)據(jù)表。下圖顯示了光隔離器或光耦合器的典型電路圖，左側(cè)為輸入，右側(cè)為輸出。

目前，我們想關(guān)注不同類型的光隔離器。選擇光隔離器時，要考慮的關(guān)鍵參數(shù)是隔離電壓、帶寬、線性度、電流傳輸比和功率要求。

隔離電壓是 LED 和光傳感器之間可以存在的最大額定電壓差。該隔離電壓由光隔離器器件本身的結(jié)構(gòu)和器件外部因素決定。當(dāng)設(shè)備的光源元件處的電壓跨過光傳感器元件時，將發(fā)生內(nèi)部擊穿。類似地，當(dāng)器件輸入引腳上的電壓跨接至輸出引腳時，將發(fā)生外部擊穿。這受 PCB 設(shè)計的影響，即輸入和輸出走線的布線和分離方式以及設(shè)備周圍的環(huán)境條件。產(chǎn)生電弧的電壓取決于溫度、濕度、間隔距離、壓力和空氣污染物的存在。距離和濕度是最重要的因素。典型的現(xiàn)成光隔離器可以承受高達 10 kV 的輸入到輸出電壓差和大約 25 kV/μs 的電壓瞬變。

在光隔離器電路用于去耦接地層或電壓檢測輸入的情況下，隔離信號的變化率相對不重要。然而，在光隔離器用于解耦數(shù)據(jù)鏈路和通信線路的情況下，設(shè)備的吞吐量變得至關(guān)重要。典型應(yīng)用范圍從速度相對較慢的串行數(shù)據(jù)鏈路（例如以數(shù)十 Mbps 運行的 I2C 或 SPI）到以 Gbps 運行的高速協(xié)議。更基本的光隔離器通常具有大約 10 MHz 的帶寬（見下文），但也有專門設(shè)計用于更快數(shù)據(jù)速率的設(shè)備。請記住，任何光隔離器電路可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率將取決于輸出的負載方式和受溫度的影響。如果您要隔離快速數(shù)據(jù)鏈路，請仔細研究數(shù)據(jù)表。

帶寬可以在光隔離器的增益曲線中看到。此處顯示的示例適用于 Broadcom 的 HCPL-7840-000E。

值得一提的是，現(xiàn)成的無源網(wǎng)絡(luò)隔離器可用于有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，使用電磁感應(yīng)提供不導(dǎo)電屏障，無需外部電源。實施光隔離器電路可能并不總是最合適的解決方案，但該決定將取決于您的個人情況。

與任何半導(dǎo)體器件一樣，光隔離器中使用的光電二極管在輸入和輸出之間的關(guān)系中具有非線性元素，這會使通過隔離器的信號失真。確保光電二極管偏置并在其線性范圍內(nèi)工作，避免截止或飽和區(qū)域，將在一定程度上減少這種影響。在光隔離器用于解耦模擬信號的情況下，任何殘留的非線性都會特別明顯。

專門的模擬光隔離器已經(jīng)開發(fā)出來，具有最小的非線性。通常，它們使用連接到運算放大器的兩個光電二極管。一個光電二極管照常工作，而具有相同非線性性能的第二個器件位于放大器的反饋環(huán)路中，通過消除非線性進行補償。

電流傳輸比 (CTR) 是 LED 和傳感器電流之間的比率，有效地獲得器件并反映其效率。具有低 CTR 的光電隔離器將需要更多電流來驅(qū)動 LED，以便在光電晶體管上為特定輸出負載產(chǎn)生足夠的電流。

CTR 不是恒定的，而是取決于進入組件的輸入電流。CTR 也會隨著每個組件、其溫度和組件的使用年限而變化，因此選擇能夠在光隔離器將使用的設(shè)備的最高額定溫度和最長工作壽命下提供所需 CTR 的設(shè)備至關(guān)重要。組件的制造公差會導(dǎo)致同一批次組件的 CTR 范圍很廣，因此設(shè)計必須基于數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最小 CTR。所有這些因素都會使最佳設(shè)備的選擇變得棘手。如果有疑問，請為錯誤添加一個合理的余量，并使用最壞情況下的元件值來模擬電路，以確保電路能夠正常工作。

最后一個要記住的因素是光隔離器電路本身的功率要求以及組件因損耗產(chǎn)生的熱量的管理。基本組件的效率可能相對較低，并且會產(chǎn)生大量的熱能水平，必須妥善處理，特別是因為光隔離器本身的性能會受到熱效應(yīng)的不利影響。在設(shè)計電路布局時，請記住將光隔離器電路的輸入走線與所有其他走線（尤其是接地層和電源層）適當(dāng)分開，以防止瞬變在走線之間發(fā)生電容或電感耦合。

光隔離器通常使用近紅外 LED 將電輸入信號轉(zhuǎn)換為等效的光信號。光包含在封閉的光學(xué)隔離通道內(nèi)，也稱為電介質(zhì)通道。光隔離通道末端的光敏器件直接從接收到的光中生成電信號，或者使用接收到的光來調(diào)制從外部電源流出的電流。光敏器件可以是光敏電阻、光電二極管、光電晶體管、可控硅 (SCR) 或三端雙向可控硅開關(guān)元件。由于光敏電阻既可用作光源又可用作光敏器件，因此可以使用兩個光敏電阻形成雙向光隔離器，每個光敏電阻位于光隔離通道的兩端。性能和效率問題限制了雙向光隔離器的可用性和應(yīng)用?？梢允褂脙蓚€反向配置的單向光隔離器來實現(xiàn)等效電路，但代價是需要更多占位面積更大的分立元件。

四種類型的光隔離器組件（從左到右）：施密特緩沖器、雙向晶閘管、光電晶體管和 SCR。這些設(shè)備也可以在多個通道中配置。

光隔離器的物理布局主要取決于所需的隔離電壓。額定電壓低于幾 kV 的設(shè)備通常具有平面結(jié)構(gòu)。傳感器管芯上覆蓋著一片玻璃或透明塑料，頂部是 LED 管芯。傳感器的吸收光譜將與 LED 的輸出光譜相匹配。光隔離通道的厚度決定了器件的額定擊穿電壓。額定更高擊穿電壓的設(shè)備通常具有硅膠圓頂結(jié)構(gòu)。LED 和傳感器芯片放置在封裝的另一側(cè)，由透明硅膠圓頂形成的間隙隔開。圓頂?shù)男螤羁蓪⒆畲罅康墓鈴?LED 引導(dǎo)至傳感器。

電子設(shè)備和信號及電力傳輸線可以經(jīng)常受到閃電和靜電放電感應(yīng)的電壓浪涌、射頻干擾以及負載變化產(chǎn)生的脈沖。正如在上一篇文章中所討論的，遠程雷擊可以在長距離通信和電力線路中引發(fā)數(shù) kV 浪涌。光隔離器可以提供一種解決方案，以防止設(shè)備輸入端出現(xiàn)的電壓浪涌影響該設(shè)備內(nèi)更敏感的組件。在某些應(yīng)用中，設(shè)備將采用高壓的元件作為設(shè)計的一部分。該設(shè)計很可能需要電路的高壓元件和標準低壓元件之間的接口。在這種情況下，光隔離器還可以幫助將不同的元素安全地分開。

在光隔離器用于驅(qū)動數(shù)字邏輯電平的情況下，需要考慮輸出配置。如果光隔離器的輸出需要從零伏擺動到電源軌以適應(yīng)負載電路，則需要具有圖騰柱輸出配置的光隔離器。否則，可以選擇更常見的推挽配置。

光隔離器與等效隔離變壓器的主要區(qū)別在于沒有能量流過器件。它們通過調(diào)制提供給輸出端的電能來反映到達輸入端的能量水平來運行。然而，光隔離器相對于隔離變壓器的一個顯著優(yōu)勢是它們可以將非常低頻的信號一直傳輸?shù)街绷麟娖?。它們也更易于在電路設(shè)計中實現(xiàn)，因為輸入和輸出阻抗是獨立的，不需要額外的元件來進行阻抗匹配。

光敏電阻是用于直流和交流電路的非極性器件。它們通過與接收到的光能強度成反比地改變電阻來工作。電阻的工作范圍可以從幾百歐姆到開路。傳統(tǒng)上用于電話和工業(yè)自動化，除了樂器放大中的小眾應(yīng)用外，它們在主要方面已被取代。

當(dāng)光能落在光電二極管上時，會產(chǎn)生與接收到的光能強度成正比的電荷。這種小電荷可用于驅(qū)動高阻抗負載，光電二極管以光伏模式運行。當(dāng)使用外部電壓源對光電二極管進行反向偏置時，接收到的光能會增加流過二極管的反向電流，從而調(diào)制來自外部電源的能量流。在這種光電導(dǎo)模式下工作時，能量流速與接收到的光能強度成正比。通過將 LED 驅(qū)動器和輸出放大器集成到光隔離器設(shè)備中，可以優(yōu)化以這種光電導(dǎo)模式運行的光電二極管以相對較高的速度運行。這是您會在高性能、

光電晶體管本質(zhì)上比光電二極管慢，必須正確偏置和加載才能達到數(shù)十 kHz 的速度。然而，它們的集電極開路輸出意味著它們具有能夠產(chǎn)生更大輸出電流并且更靈敏的優(yōu)勢。它們更適用于較慢的響應(yīng)時間不會產(chǎn)生影響的直流電路。在光電晶體管的集電極開路輸出上使用肖特基鉗位可以在設(shè)備響應(yīng)中提供相對較好的線性度。

photodarlington 是光電晶體管的變體，其中達林頓對配置中的一對晶體管提供比標準光電晶體管更高水平的增益和靈敏度，但代價是響應(yīng)速度較慢。

可控硅整流器 (SCR) 光隔離器是一種基于晶閘管的隔離器，專為交流電源控制應(yīng)用而設(shè)計。它們也稱為光電 SCR，可完全隔離交流電源線上的噪聲和電壓瞬變。僅在主 AC 周期的正半部分運行的性能限制使得它們的使用不如光電三端雙向可控硅器件那么普遍。

光電三端雙向可控硅開關(guān)（交流電三極管）光電隔離器與光電 SCR 一樣，經(jīng)過優(yōu)化以用于固態(tài)繼電器應(yīng)用，以控制交流電源供電的負載。三端雙向可控硅光隔離器可以通過簡單的開關(guān)直流輸入安全地操作高壓交流電源。與光電 SCR 不同，三端雙向可控硅光隔離器可以在整個電源交流周期內(nèi)運行，并具有過零檢測功能，允許電路在切換電感負載時以最小的浪涌電流為負載驅(qū)動全功率。

Photo-MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）繼電器是一種不太常見的光隔離器類型，專為快速切換應(yīng)用而設(shè)計，在這些應(yīng)用中，在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下需要高可靠性和長壽命。這些固態(tài)器件能夠高效切換 1.5 kV 并處理高達 5 A 的電流，且無觸點彈跳，被用于太陽能發(fā)電廠和電動汽車的最新一代電池管理系統(tǒng)中。

在光隔離器類型之間進行選擇時，不要只選擇符合您預(yù)算且在您最喜歡的供應(yīng)商處有庫存的任何設(shè)備。光隔離器有多種不同類型，針對特定應(yīng)用進行了優(yōu)化。通過考慮關(guān)鍵因素開始選擇過程；

• 您需要防范的最高電壓是多少？

• 您是否需要快速光隔離器電路提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速率？

• 您要隔離的信號帶寬是多少？

• 您需要隔離直流電還是交流電，或者您正在考慮隔離高速數(shù)據(jù)線？

• 你如何為輸出供電，它驅(qū)動什么負載？

• 了解這一點和輸入的特性后，您需要的電流傳輸比是多少？

• 那么，您將如何將光隔離器整合到您的設(shè)計中，您需要包括哪些熱管理措施？

這里的教訓(xùn)是，僅僅將光隔離器電路器件放到您的電路板上并不像乍看起來那么簡單。從第一天起就必須將其視為整個設(shè)計過程的一部分，以確保您的電路正常工作。光隔離器非常適合從電路的其余部分去耦直流和低頻信號，但它們需要外部電源，而且通常高頻響應(yīng)較差。變壓器隔離器在高頻方面表現(xiàn)出色，但無法處理直流信號。但是，處理添加到電路的電感的計算和阻抗匹配的要求可能使它們不適用于某些應(yīng)用。另一個考慮因素是光隔離器芯片將比等效變壓器隔離器小得多，并且更容易安裝到電路板上。最后，不要忘記仿真工具的強大功能，可幫助確保您做出正確的選擇。