光耦合器又稱為光電耦合器、光隔離器和光學隔離器，長久以來，設計人員都會選用光耦合器以對系統訊號進行電氣隔離。自從約 1970 年代起，這類半導體裝置就在為工業與車用終端設備提供安全隔離上，扮演了重要角色。然而，雖然已有重大進步，但其電氣特性、高電壓可靠性與整合能力方面的進展，卻似乎還面臨限制，促使設計人員著手探索替代方案。
如電容隔離和磁隔離等技術興起成為替代方案，因為相較於光耦合器，前述技術可提供更佳的整體性能。從 2000 年代初期起，德州儀器 (TI) 即投資發展以二氧化矽 (SiO2) 為基礎的數位隔離技術，以提供數位隔離器產品，這類產品不但可提供與光耦合器相同的功能，更具有數項獨到的優勢。
消弭落差：隆重介紹光電模擬器
德州儀器的光電模擬器將傳統光耦合器的優勢，以及 TI 以 SiO2 為基礎的隔離技術優勢，集結於一身。光電模擬器與業界最熱門的光耦合器針腳對針腳相容，不但有助於跟現有設計無縫整合，同時還可提供同等的訊號行為。從設計工程師的角度看來，這些產品的外觀與行為就像光耦合器一樣，但其運用了 TI 的 SiO2 技術來實現隔離層。由於隔離層能有效阻隔高電壓訊號及防止接地迴路，進而確保系統安全與穩定性，如此一來，您就能運用 SiO2 隔離的優勢，包括經強化的電氣特性、更佳的高電壓穩定性，以及可整合額外系統功能的潛力。我們的目標是透過打造這類半導體產品，為您提供兩全其美的選擇。
傳統的光耦合器使用 LED，以跨越隔離層傳輸數位或類比資訊，且由另一側的光電晶體偵測訊號；請參閱圖 1。眾所周知，用於光耦合器中的 LED，會隨其使用壽命經過而出現老化或劣化效應。LED 的這種屬性不但是讓系統設計人員大感頭痛的部分，也是 TI 最常聽到的抱怨。此外，用於光耦合器中的絕緣材質，則是從僅利用空氣，到使用環氧樹脂或模封材料等，各有不同。表 1 清楚顯示光耦合器與使用 SiO2 介電之光電模擬器間的隔離強度差異。
圖 1：典型光耦合器構造
表 1：不同絕緣材質的介電強度
光電模擬器使用 TI 以 SiO2 為基礎的隔離層來實現訊號隔離，因此使用光電模擬器，即可一併避免這些常見的光耦合器隱患。圖 2 顯示 TI 光電模擬器的內部構造，其會在發射和接收電路上模擬傳統光耦合器的功能行為，而 SiO2 則會提供高電壓隔離。
圖 2：TI 數位隔離器的構造
光電模擬器的優勢
光電模擬器整合進階隔離技術，以克服與傳統光耦合器相關的限制，進而實現卓越效能和可靠性。現在讓我們來探討光電模擬器的數項優勢：
• 減少功耗。傳統光耦合器需要經過事先複雜設計，才能對 LED 難以避免的老化效應進行補償，而這在設計生命週期期間需要額外的正向電流 (IF)。TI 光電模擬器則能提供大幅降低的 IF 和供應電流，讓您省下多達 80% 的功率預算。
• 更佳的共模瞬態抗擾度 (CMTI)。常見的數位光耦合器代表具備約 15 kV/µs 的 CMTI，而 ISOM8710 的最低 CMTI 為 125 kV/µs，因此可用於具備極高共模切換雜訊或高振鈴雜訊的應用。
• 穩定且範圍小的電流傳輸比 (CTR)。您不再需要為了實現更小的 CTR 範圍而支付額外成本。如 ISOM8110 等 TI 光電模擬器標配提供多種狹小 CTR 範圍，可在溫度範圍內維持穩定。
• 快速的資料傳輸速率。典型高速光耦合器支援的資料傳輸速率為 1 Mbps 至 10 Mbps，而 ISOM8710 則可支援 25 Mbps。這種支援能力可實現更高處理能力，並且也讓光電模擬器能用於各種高速應用。
• 頻寬。ISOM8110 支援 680 kHz 的高頻寬，能縮減強制性磁性元件 (電感器和變壓器) 的尺寸。高頻寬能實現更佳的二次側穩壓返馳式轉換器暫態響應。更佳的暫態響應有助於縮減輸出電容器的尺寸、釋出電路板空間，並減少整體系統成本，在高切換頻率的氮化鎵設計中更是如此。
• 廣泛的溫度範圍。光耦合器平均支援的溫度範圍為 0°C 至 +85°C。雖然部分光耦合器可支援更廣泛的溫度範圍，但必須支付額外成本才能享有該功能。TI 光電模擬器標配支援廣達 –55°C 至 +125°C 的溫度範圍，且在 2024 年將會提供更多符合汽車認證的產品。
• 可靠的隔離。光電模擬器具備更佳的高電壓能力，讓其適用於需要可靠隔離的應用。TI 光電模擬器運用 SiO2 實現隔離層，可提供 500 V/µm 的隔離。此效果比市面上許多光耦合器所使用的空氣 (1 V/µm) 更為強大。
結論
光電模擬器代表訊號隔離技術出現重大進展，其將大家對光耦合器的通曉，以及以 SiO2 為基礎的隔離優勢，集結於一身。這類裝置可協助您滿足現代化系統的需求，確保獲得強化的性能、可靠性和安全。運用光電模擬器，您即可將設計最佳化，並迎接隔離技術的新世代。
其他資源
• 若您已準備好將設計升級至光電模擬器，歡迎試用 TI 的交互參考搜尋，您可在此處上傳目前設計中使用的光耦合器，並尋找相符的合適光電模擬器。
• 閱讀白皮書「以可靠且經濟實惠的隔離技術解決高電壓設計難題」。
