哪种类型的光隔离器适合您的信号？

2021-09-01

哪种类型的光隔离器适合您的信号？

光隔离器是一种電(diàn)子设备，它使包含在信号中的信息能(néng)够通过，同时在信号和设备之间提供電(diàn)气隔离。光隔离器充当保护机制，确保有(yǒu)害電(diàn)流不会流过设备。这是通过在電(diàn)路中放置一个气隙并通过间隙传输信息来实现的。

简单来说，光隔离器的工作原理(lǐ)是接收输入電(diàn)信号并使用(yòng)发光二极管将其转换為(wèi)光信号，通常在近红外光谱中工作。然后，在同一设备中，光敏设备（例如光電(diàn)二极管、光電(diàn)晶體(tǐ)管或光電(diàn)达林顿晶體(tǐ)管）将光信号转换回電(diàn)信号。这為(wèi)输入端出现的任何電(diàn)压瞬变或过压電(diàn)平提供了屏障，以免影响光隔离器输出端的電(diàn)路。这些组件被密封在一个不透明的包装中，以防止外部光線(xiàn)的干扰。

光隔离器广泛用(yòng)于通信、控制和监控系统，在这些系统中，数据信号可(kě)以為(wèi)损坏设备的有(yǒu)害電(diàn)压提供入口点。当長(cháng)数据電(diàn)缆容易受到感应電(diàn)压瞬变或接地平面浪涌影响进入包含敏感半导體(tǐ)元件的電(diàn)子设备时，它们特别有(yǒu)用(yòng)。

值得一提的是，术语光耦合器和光隔离器经常互换使用(yòng)；然而，通常的惯例是，光耦合器是可(kě)以隔离高达约 5000V 電(diàn)压的设备，而光隔离器是可(kě)以隔离超过 5000V 電(diàn)压的设备。如果您看到此约定的例外情况，请不要感到惊讶。如果有(yǒu)疑问，请研究数据表。

选择光隔离器

选择光隔离器时，要考虑的关键参数是隔离電(diàn)压、带宽、線(xiàn)性度、電(diàn)流传输比和功率要求。我们将依次讨论这些。

隔离電(diàn)压

隔离電(diàn)压是 LED 和光传感器之间可(kě)能(néng)存在的最大额定電(diàn)压差。该隔离電(diàn)压受光隔离器设备本身的结构和设备外部因素的控制。当设备的光源元件上的電(diàn)压跨越到光传感器元件时，将发生内部击穿。类似地，当器件输入引脚上的電(diàn)压跨越到输出引脚时，将发生外部击穿。这受 PCB 设计的影响，即输入和输出的走線(xiàn)布線(xiàn)和分(fēn)离方式以及设备周围的环境条件。发生電(diàn)弧的電(diàn)压取决于温度、湿度、间隔距离、压力和空气污染物(wù)的存在。距离和湿度是最重要的因素。典型的现成光隔离器可(kě)以承受高达 10 kV 的输入至输出電(diàn)压差和大约 25 kV/μs 的電(diàn)压瞬变。

带宽

在使用(yòng)光隔离器去耦接地层或電(diàn)压感测输入的情况下，隔离信号的变化率相对不重要。然而，在使用(yòng)光隔离器来解耦数据链路和通信線(xiàn)路的情况下，设备的吞吐量变得至关重要。典型应用(yòng)范围从相对低速的串行数据链路（如以数十 Mbps 运行的 I2C 或 SPI）到以 Gbps 运行的高速协议。更基本的光隔离器通常具有(yǒu)大约 10 MHz的带宽，但也有(yǒu)专门设计用(yòng)于更快数据速率的设备。请记住，任何光隔离器可(kě)实现的数据速率将取决于输出的加载方式和受温度影响的方式。如果您要隔离快速数据链接，请非常仔细地研究数据表。

值得一提的是，现成的无源网络隔离器可(kě)用(yòng)于有(yǒu)線(xiàn)以太网网络，这些网络使用(yòng)電(diàn)磁感应来提供不导電(diàn)的屏障，而无需外部電(diàn)源。实施光隔离器電(diàn)路可(kě)能(néng)并不总是最合适的解决方案，但该决定将取决于您的个人情况。

線(xiàn)性度

与任何半导體(tǐ)器件一样，光隔离器中使用(yòng)的光電(diàn)二极管在输入和输出之间的关系中将具有(yǒu)非線(xiàn)性元素，这会使通过隔离器的信号失真。确保光電(diàn)二极管偏置并在其線(xiàn)性范围内工作，避免截止或饱和區(qū)域，将在一定程度上减少这种影响。在使用(yòng)光隔离器去耦模拟信号的情况下，任何残留的非線(xiàn)性都会特别明显。

已开发出专业的模拟光隔离器以最大限度地减少非線(xiàn)性；通常，它们使用(yòng)连接到运算放大器的两个光電(diàn)二极管。一个光電(diàn)二极管照常工作，而具有(yǒu)相同非線(xiàn)性性能(néng)的第二个器件位于放大器的反馈回路中，通过抵消非線(xiàn)性进行补偿。

電(diàn)流传输比

電(diàn)流传输比 (CTR) 是 LED 和传感器電(diàn)流之间的比率，可(kě)有(yǒu)效地获得设备并反映其效率。具有(yǒu)低 CTR 的光隔离器将需要更多(duō)電(diàn)流来驱动 LED，以便在光電(diàn)晶體(tǐ)管上為(wèi)输出负载产生足够的電(diàn)流。

CTR 不是常数，而是取决于组件的输入電(diàn)流。CTR 也将随每个单独的组件、其温度和组件的使用(yòng)年限而变化，因此选择一种能(néng)够在将使用(yòng)光隔离器的设备的最高额定温度和最長(cháng)工作寿命下提供所需 CTR 的设备至关重要in. 组件的制造公差可(kě)能(néng)导致同一批组件内的 CTR 范围很(hěn)广，因此设计必须基于数据表中规定的最低 CTR。所有(yǒu)这些因素都会使最佳设备的选择变得棘手。如果有(yǒu)疑问，请為(wèi)错误添加适当的裕度并使用(yòng)最坏情况下的组件值模拟電(diàn)路，以确保電(diàn)路正常工作。

力量

要记住的最后一个因素是光隔离器本身的功率要求以及组件因损耗而产生的热量的管理(lǐ)。基本组件的效率可(kě)能(néng)相对较低，并且会产生大量的热能(néng)，必须对其进行适当处理(lǐ)，特别是因為(wèi)光隔离器本身的性能(néng)会受到热效应的不利影响。在设计電(diàn)路布局时，请记住将光隔离器的输入走線(xiàn)与所有(yǒu)其他(tā)走線(xiàn)（尤其是接地层和電(diàn)源层）适当分(fēn)开，以防止走線(xiàn)之间的瞬态電(diàn)容或電(diàn)感耦合。

建造

光隔离器通常使用(yòng)近红外 LED 将電(diàn)输入信号转换為(wèi)等效的光信号。光包含在封闭的光學(xué)通道内，也称為(wèi)介電(diàn)通道。光通道末端的光敏器件可(kě)以直接从接收到的光能(néng)中产生電(diàn)信号，或者使用(yòng)接收到的光能(néng)来调制从外部電(diàn)源流出的電(diàn)流。光感测装置可(kě)以是光敏電(diàn)阻、光電(diàn)二极管、光電(diàn)晶體(tǐ)管、可(kě)控硅整流器（SCR）或双向可(kě)控硅。由于光敏電(diàn)阻既可(kě)用(yòng)作光源又(yòu)可(kě)用(yòng)作光敏器件，因此可(kě)以使用(yòng)两个光敏電(diàn)阻（一个在光通道的每一端）来形成双向光隔离器。性能(néng)和效率问题限制了双向光隔离器的可(kě)用(yòng)性和应用(yòng)。等效電(diàn)路可(kě)以使用(yòng)两个反向配置的单向光隔离器来实现，但代价是需要更多(duō)具有(yǒu)更大占位面积的分(fēn)立元件。

光隔离器的物(wù)理(lǐ)布局主要取决于所需的隔离電(diàn)压。额定電(diàn)压低于几 kV 的设备通常具有(yǒu)平面结构。传感器芯片覆盖有(yǒu)一片玻璃或透明塑料，上面是 LED 芯片。传感器的吸收光谱将与 LED 的输出光谱相匹配。光通道的厚度决定了器件的额定击穿電(diàn)压。额定击穿電(diàn)压较高的设备通常具有(yǒu)硅胶圆顶结构。LED 和传感器芯片位于封装的另一侧，由透明硅胶圆顶形成的间隙隔开。圆顶的形状可(kě)以将尽可(kě)能(néng)多(duō)的光从 LED 引导到传感器。