从光耦到数字隔离器的“国产替代”之路

定律2014

为什么电路设计需要考虑电气隔离？

凡是涉及到AC-DC或中高电压DC-DC电源转换的电子电路，都需要电气隔离。电气隔离是指在电路中避免电流在两个区域之间流通，确保没有实际的电气连接，它主要有两方面的作用：

●保障人员和设备的安全：电气隔离可以使一个系统上两个电路之间保持独立，比如一个电路是强电电路，另一个是弱电电路，如果没有进行电气隔离，一旦发生故障，强电电路的电流直接流到弱电电路，那将会对人员造成触电的伤害，或对电路及设备造成损害。

●提高电路的抗干扰能力：电气隔离可以去除两个电路之间的接地环路，可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，让电子系统具有更高的安全性和可靠性。

电子工程师在进行电路设计时，有很多隔离方案可供选择，比如变压器和继电器等。但最有效和常用的隔离器件还是光电耦合器与数字隔离器。

●光电耦合器：光电耦合器也叫光电隔离器，简称光耦，由发光源和受光器两部分组成，组装在同一个封闭的空间内。

●数字隔离器：近些年发展起来的数字隔离器基于CMOS工艺，可为电子系统中数字和模拟信号的传递提供很好的电阻隔离特性。

作为专门的电气隔离器件，光耦和数字隔离器已经广泛应用在各个领域的电气和电子系统设计中。本文将主要讲述这两类器件的优缺点及其应用方案。

图一：光耦合器基本原理（来源：Wikipedia）

光耦隔离的优点和缺点

光耦是上世纪70年代发展起来的隔离器件，它以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用。由于光耦的体积小、寿命长、无触点，具备抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输信号等优点，在电子电路设计上得到了广泛应用。光耦目前已成为种类最多、用途最广的光电器件之一，包括晶体管耦合器、高速集成电路输出耦合器、三端双向可控硅耦合器以及光控继电器等，广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大及固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

速度和功耗是设计工程师最为看重的光耦参数指标。不同的应用对光耦的速度要求也有所不同，例如在通信应用中，DeviceNet规定了相对较低的数据速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，传播延迟要求小于40ns；CAN总线规定了125kBd低速和1MBd高速数据速率，但对传播延时没有严格的要求；Profibus发送数据则要求在12MBd范围内，并规定了隔离器、收发器和连接本身的PWD总延时。

在功耗方面，一些超低功耗光电耦合器产品采用独特的集成电路设计和厚绝缘层材料，在不影响隔离和绝缘性能的条件下可大幅度降低功耗，适合RS485、CANBus和I2C等通信接口、微处理器系统接口，以及A/D和D/A等模数转换应用的数字隔离。

除了速度和功耗外，光耦产品也正在趋向于低电压特性。由于越来越多的电子产品转向更低的供电电压，这也要求光耦具有低电压特性以满足系统的需求。此外，随着系统集成度不断提高，工作环境日趋严格，光耦产品的体积、工作温度也开始受到前所未有的挑战。近二三十年来，容耦、磁耦、阻耦、CMOS数字、SiO2等新型隔离器层出不穷，给光耦带来了很大的冲击，有逐渐被替代的危险。

国外和国内光耦厂商

经过近50年的发展，全球光耦产业格局已趋于稳固。日美系品牌以高阶光耦称霸市场，台系品牌垄断中低端光耦一半以上的产能，而国产光耦品牌则凭借2019年“国产替换”的风口，也逐渐走到台前。在国内市场，销售和利润占比最高的是日美系光耦，其中代表厂家有：AVAGO(安华高)、FAIRCHILD(仙童)、VISHAY(威世)、ISOCOM(安数光)、OSRAM Opto(欧司朗)、CLARE(克莱尔)、IXYS(艾赛斯)、TOSHIBA(东芝)、RENESAS(瑞萨)、NEC(日电)、PANASONIC(松下)、SHARP(夏普)、OMRON(欧姆龙)、KODENSHI(可天士)等。

而光耦出货量最大的是台系厂商，基本垄断了低阶市场50%～60%的产能，代表企业有LITE-ON(光宝)、EVERLIGHT(亿光)、CT MICRO (兆龙) 、COSMO (冠西) 、KINGBRIGHT(今台)和BRIGHT(佰鸿)等。至于国产光耦品牌，ORIENT(奥伦德)、KENTO(匡通)、重庆光电技术研究所和YD(优达光)等新秀企业正在崛起。

数字隔离的优点和缺点

直至1990年代后期，光耦基本上是市场上唯一的解决方案。由于光耦合器使用来自LED的光通过隔离屏障传输数据，因此在数据传输应用中，LED打开时为逻辑高电平 （Logic HIGH），而关闭时为逻辑低电平（Logic LOW），这意味着在传输的过程中会持续产生功秏。然而，以CMOS为基础的数字隔离器使用电感（磁性）或电容耦合来传输讯号，有较快速的传输响应，可以利用编码来表达逻辑高电平和逻辑低电平。因此数字隔离器能在长时间的高电平下减少功秏，同时能够处理复杂的双向接口，如485和I2C。

采用数字隔离器替代光耦具有如下好处：

●提高数据速率和时序特性

●集成多个隔离通道和其它功能，可缩小尺寸、降低成本

●功耗比光耦节省高达90%

●连接其它数字器件所需的外部元件最少

●无需光耦所用的LED，提高可靠性

此外， 数字隔离器有较佳的共模瞬态抗扰度 (Common Mode Transient Immunity，CMTI)性能。CMTI对隔离效果非常重要，因为高摆率（高频率）瞬变可能会破坏隔离栅之间的数据传输。CMTI通常以千微伏每微秒 （kV/us） 为单位进行测量，指的是隔离器介于输入和输出之间拒绝噪声的能力。高CMTI意味着较强的隔离能力，数字隔离器的CMTI可达 200kV/us ， 而光耦合器普遍较低。

表一：光耦与数字隔离的优缺点对比（来源：纳芯微）

数字隔离的优点包括高速、长寿命、鲁棒性、良好的时序规范和更低的功耗等。但是，数字隔离元件在很多中低端应用中并不具有成本竞争力。此外，对于某些应用而言，光耦已经得到久经考验且十分可靠，数字隔离器要想替代光耦并非易事，设计人员不太愿意冒尝试新技术的风险。光学、磁性或电容隔离等不同隔离方案的选择将取决于特定客户的需求、具体细节和具体应用。这些利弊并不会随着时间的推移而发生实质性变化。

国外和国内数字隔离厂商

近年来，随着CMOS工艺的不断进步，数字隔离技术开始发展起来，并逐步被市场认可。各种光耦替代技术也层出不穷，诸如电容隔离(容耦—TI、Silicon Labs和纳芯微)、电磁隔离(磁耦--ADI)等。

ADI于10多年前为寻求光耦合器替代方案而开发出 iCoupler 数字隔离器，它融合了高带宽片内变压器和精细 CMOS 电路，为设计人员改善了可靠性、尺寸、功耗、速度、时序精度和易用性。ADI 数字隔离器利用低应力厚膜聚酰亚胺绝缘层实现数千伏的隔离，可以将其与标准硅 IC 集成在单芯片上，形成单通道、多通道和双向配置。此外，它还能嵌入其它数据采集、通信和控制 IC，使得设计人员能够全心专注于系统功能的完善，而不必担心隔离问题。

近年来，虽然ADI始终占据着数字隔离市场的龙头地位，但Silicon Labs和德州仪器也通过有效的业务扩展达到了与ADI相近的水平，形成了三足鼎立的市场格局。NVE的业务增长虽然不如其他公司，不过仍十分活跃。目前，英特锡尔、美信、恩智浦、意法半导体、罗姆公司等公司也开始在市场上销售数字隔离相关产品。

本土数字隔离厂商虽然起步较晚，但乘着“国产替代”的东风，也开始迅速发展起来。产品已经量产并具有一定市场影响力的国产数字隔离器厂商有：苏州纳芯微电子、上海荣湃，以及上海川土微电子。

数字隔离的典型应用案例

隔离应用在工业领域最为常见，例如工厂自动化、流程控制、PLC或可编程自动化控制器（PAC）、马达驱动控制和不间断电源（UPS）等设备。工业自动化是隔离器的最大市场，工业系统设计者们非常重视CMOS隔离器所带来的好处，比如高温环境操作、优异的组件匹配性、减少偏移和高耐噪性等。

对于隔离式开关电源，传统的误差放大器大多采用光耦方案，光耦反馈可以应对绝大多数电源应用场景，但该方案有其局限性——电源光耦反馈模块工作温度通常不超过100℃，传输特性相对较慢，传输延时会随时间增加而变长，环路响应慢。此外，在工业应用场景，光耦反馈方案精度较为一般。纳芯微基于电容隔离技术研发出高可靠性隔离误差放大器NSi3190，它具有高带宽、高精度、高可靠性等特性，可满足汽车级工作温度要求（−40°C~+125˚C）。这种隔离器能够在单芯片上同时支持电压型输出和电流型输出，可完美替代传统的光电耦合器方案。

图二：纳芯微基于电容隔离技术的数字隔离器可以替代传统的光电耦合器（来源：纳芯微）

对于高低电平信号的传输，有的工程师可能会认为用光耦更划算，光耦在单颗元件成本上确实具备优势，但综合考虑整体方案成本及性能，数字隔离方案在一些场景中仍是优选方案。具体来看，光耦最大的缺点是对温度的依耐性非常高，温度变化引发的光耦性能变化会导致电路性能下降，因此在高温工作环境与对体积要求高的应用场合，数字隔离器是更好的光耦替代方案。

数字隔离器在汽车市场上也找到了用武之地。尽管传统的内燃机（ICE）驱动汽车几乎不用隔离器，但自从电动车问世以来，电路和系统设计正逐渐改变。目前EV或各式各样的混合动力车辆（HEV）通常配置200V~400V高电压电池，未来的趋势是采用更高电压的电池，藉此达到更高的功率和/或电池容量以及续航能力。这种高电压电池必须使用隔离器，以确保汽车内不同电压场域的安全性和讯号传输。许多汽车制造大厂竞相投入EV/HEV布局，为了优化高温操作、稳定性和抗噪性，汽车产业成为数字隔离器技术的主要驱动力。EV/HEV的终端应用如电池管理系统（BMS）和车载充电器(OBC)，也加速推动着市场对隔离器的需求。

纳芯微基于其特有的“Adaptive OOK”技术，研发出新一代增强型数字隔离芯片NSi82xx系列。该系列产品满足VDE加强绝缘标准，并符合AEC-Q100汽车级规范，在浪涌耐压能力、ESD能力以及抗共模瞬态干扰度等技术指标上均有大幅度提升，可应用于各类高隔离耐压及需要加强绝缘认证的复杂系统中。

NSi82xx系列将抗共模瞬态干扰能力提升至200kV/us以上，使得该产品具有更强的可靠性和稳定度，更加符合GaN、MOSFE等高速开关场合对快速瞬态干扰免疫的严苛要求。基于满足加强绝缘标准的隔离工艺，NSi82xx的内部隔离层耐压提升至12kVrms 以上，浪涌耐压提升至10kV以上，并使其达到双边ESD耐压超过15kV、绝缘工作电压超过1500Vrms的能力。该隔离工艺已经过充分的可靠性验证，满足批量产品化要求。

该系列数字隔离芯片可应用在通信、数字电源、工控、光伏、新能源汽车等系统中，特别适合于对隔离耐压要求较高、需要加强绝缘的各类严苛应用环境。

图三：纳芯微基于“Adaptive OOK”技术研发的新一代增强型数字隔离芯片NSi82xx系列（来源：纳芯微）

数字隔离的市场发展趋势

10年前，非光学数字隔离还是一个非常小的市场，2010年市场规模仅为5,400万美元，根本就没有引起光耦制造商们的重视。近5年来，数字隔离销售大幅增长，至2018年全球市场规模已增至3.43亿美元。IHS Markit预计，到2024年这一细分市场将增长一倍以上，达到7.67亿美元。

图四：IHS Markit对隔离器件市场的预测（来源：IHS Markit）

从现在到2024年，工业应用仍将是隔离器件最大的市场。不过，这期间的大部分增长将主要来自汽车行业，特别是电动车辆。目前还不清楚在汽车市场是光耦还是非光学数字隔离器件会胜出，但两者的机会都很多。

中国是光耦产品的消费主战场。目前，国内光耦的需求主要集中在中低端的消费类、通用类领域，例如手机充电器和电水表等。除了消费电子，光耦器件在工业、汽车电子等应用中已逐渐成熟。数字隔离器集成IC替代低阶光耦是一种趋势。现在有很多USB接口就自带电路保护功能，集成IC方案可以让元器件更集成化，且成本更低，适合需要严格成本控制的终端厂家。

此外，在一些新兴的应用市场，比如氮化镓快充充电器，数字隔离器可以与氮化镓器件更好地配合，将逐渐为电子工程师所接受而成为主流的隔离替代方案。

结语

隔离器件虽然相对狭小，市场规模不大，但却是所有电子产品和设备系统必不可缺的元件，因为人身和设备安全、电磁干扰及物联网设备的普及对电气隔离提出了更高的要求。在未来相当一段时间内，光耦器件和数字隔离器件都将并存发展，在各自擅长的应用领域继续增长。但是，从光耦到数字隔离是未来的发展趋势，后者将逐渐替代前者而成为主导型隔离方案。同样地，长期以来一直被国际大厂所垄断的隔离市场也会逐渐被本土厂商打破。在全球经济不确定性和中美科技冷战的大环境下，“国产替代”将为纳芯微等本土厂商提供前所未有的发展机会和巨大的增长空间。