光耦合器，也稱為光隔離器或光電耦合器，其已被用於實現電子電路電流隔離超過40年。光耦合器使用LED和光電電晶體來實現信號通信，而無需傳輸電流。作為一種低成本的解決方案，光耦合器一直很受歡迎。但考慮到數位隔離技術的進步，光耦合器真的是實現RS-485系統電流隔離的最具成本效益的方法嗎？
圖1所示為隔離式RS-485收發器使用光耦合器實現電流隔離的典型電路。該解決方案共需要三個光耦合器：兩個高速光耦合器（每個用於發送和接收信號）以及一個用於方向控制的低速光耦合器。該解決方案還需要大量外部元件，包括施密特緩衝器、施密特觸發器、電阻器和旁路電容器。所有這些元件都會增加成本和電路板面積。
圖 1：採用光耦合器的隔離式RS-485設計
當今許多系統設計人員在各類工業市場中遇到了電路板空間限制的問題，因為他們的目標是在每一代新產品中實現更小的整體解決方案尺寸或增強功能。其中一個示例是調節樓宇中的溫度和氣流的暖通空調（HVAC）系統。隨著智慧節能樓宇的發展趨勢，新型HVAC控制板需要能夠將先進的監控和介面與智慧恒溫系統相結合，而不增加整體解決方案的尺寸。.
優化隔離的RS-485設計
通過閱讀我們的應用手冊“隔離RS-485以獲得最小尺寸和最高可靠性”，瞭解有關如何更換隔離式RS-485設計中的光耦合器的更多資訊。
RS-485是這些系統中的通用通信介面，因為它具有長距離可靠性。當RS-485節點置於具有不同接地電位的位置時，共模雜訊會導致通信故障，因此需要隔離以防止這些地電位差異。使用龐大的光耦合器解決方案隔離RS-485使設計人員只在系統的其他方面做出妥協，因此出現了對更小的隔離介面解決方案的需求。
除大尺寸解決方案外，許多設計人員還會遇到光耦合器的這些性能問題：
• 可靠性。光耦合器通常使用環氧樹脂作為電介質；與其他常見電介質相比，環氧樹脂在較低電壓下會發生擊穿，如圖2所示。元件不一致和LED劣化也會導致器件到器件在隔離可靠性和壽命方面的差異。
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絕緣材料 |
介電強度 |
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空氣 |
~1 Vrms/μm |
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環氧樹脂 |
~20 Vrms/μm |
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二氧化矽填充模具化合物 |
~100 Vrms/μm |
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聚醯亞胺 |
~300 Vrms/μm |
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SiO2 |
~500 Vrms/μm |
圖 2：普通絕緣體材料的介電強度
• 能耗：每個光耦合器需要5-10 mA才能驅動內部輸入晶片上的LED。
• 溫度範圍：光耦合器大多限於承受85°C的最高環境溫度，極少數例外情況下能承受高達105°C的溫度。
• 開關規格：光耦合器的上升/下降時間和傳播延遲隨著偏置電流、電流傳輸比和器件到器件的變化而變化。
• 噪音抗擾度光耦合器的典型共模瞬變抗擾度範圍為15 kV/μs至25 kV/μs。在高於此電平的電壓瞬變的情況下，很可能出現資料損壞。
為滿足日益增長的緊湊型解決方案需求且不影響性能，德州儀器開發了ISO1500隔離式RS-485收發器。圖3與圖1所示的光耦合器解決方案的尺寸進行了比較，這是業界標準的16引腳小外形積體電路（SOIC）隔離RS-485收發器和ISO1500。請注意，這些設計僅顯示RS-485收發器的信號隔離。應用手冊，“如何隔離RS-485系統的信號和電源”， 為RS-485系統中的隔離電源提供了有用概述。
圖 3：光耦合器解決方案之間的解決方案尺寸比較（a）；業界標準的16引腳SOIC隔離式RS-485收發器（b）；和德州儀器的ISO1500 (c)
與分立式光耦合器解決方案相比，ISO1500可減少多達85％的電路板空間，與業界標準的16引腳SOIC封裝相比，可節省多達50％的電路板空間。除了最小化解決方案尺寸外，ISO1500還解決了上面提到的許多性能問題。所有德州儀器隔離式RS-485收發器均採用半導體製造工藝製造，使用二氧化矽作為電介質，以最大限度地減少器件之間的差異，並提供更可靠的高壓性能。ISO1500消耗<10μA的電流來驅動基於互補金屬氧化物半導體的輸入，可在-40°C至125°C的溫度範圍內使用。與傳統光耦合器相比，具有可預測的開關規格和更高的抗噪性。當您將這些系統級優勢與使用ISO1500所節省的電路板空間優勢相結合時，很明顯，光耦合器的成本遠遠高於僅為器件支付的價格。
其他資源
• 閱讀白皮書“實現高壓信號隔離品質和可靠性。”
• 觀看德州儀器培訓視頻系列，“高壓隔離技術的工作原理。”
