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需要电气隔离。电气隔离主要有两个功能:
●确保人员和设备的安全：电气隔离可以使两个电路之间的系统独立，如一个电路是强电路，另一个是弱电路，如果没有电气隔离，一旦故障，强电路电流直接流向弱电路，会对人员造成触电损坏，或损坏电路和设备。
●提高电路抗干扰能力：电气隔离可去除两个电路之间的接地环，阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，使电子系统具有更高的安全性和可靠性。
在电路设计中，电子工程师有许多隔离方案可供选择，如变压器和继电器。但最有效和常用的隔离设备是光电耦合器和数字隔离器。
●光电耦合器：光电耦合器又称光电隔离器，由发光源和受光器组成，组装在同一封闭空间内。
●数字隔离器：基于近年来发展起来的数字隔离器CMOS该工艺为电子系统中数字和模拟信号的传输提供了良好的电阻隔离特性。
光耦合和数字隔离器作为一种特殊的电气隔离器，已广泛应用于电气和电子系统设计的各个领域。本文将主要介绍这两种设备的优缺点及其应用方案。
图1:光耦合器基本原理(来源:Wikipedia）
光耦隔离的优缺点
光耦合是20世纪70年代发展起来的一种隔离设备。它以光为媒介传输电信号，对输入输出电信号具有良好的隔离效果。由于光耦合体积小、寿命长、无接触点，具有抗干扰能力强、输出输入绝缘、单向传输信号等优点，广泛应用于电子电路设计中。光耦合已成为最广泛使用的光电设备之一，包括晶体管耦合、高速集成电路输出耦合、三端双向硅耦合、光控继电器，广泛应用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、切割电路、多谐振荡器、信号隔离、级间隔 、脉冲放大电路、数字仪器、远程信号传输、脉冲放大和固体继电器（SSR）、在仪器仪表、通信设备和微机接口中。
速度和功耗是设计工程师最重要的光耦参数指标。例如，在通信应用中，不同的应用对光耦的速度有不同的要求DeviceNet包括125在内的，包括125kBd、250kBd和500kBd，传播延迟要求小于400ns；CAN总线规定了125kBd低速和1MBd高速数据速率，但对传播延迟没有严格要求；Profibus发送数据需要12MBd隔离器、收发器和连接本身在范围内规定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，可以大大降低功耗，不影响隔离和绝缘性能RS485、CANBus和I2C通信接口、微处理器系统接口、A/D和D/A数字隔离等模数转换应用。
除了速度和功耗外，光耦合产品也倾向于具有低电压特性。由于越来越多的电子产品转向较低的电源电压，这也要求光耦合具有低电压特性，以满足系统的需要。此外，随着系统集成度的不断提高和工作环境的日益严格，光耦合产品的体积和工作温度也开始面临前所未有的挑战。在过去的二三十年里，容耦合、磁耦合、阻耦合、CMOS数字、SiO二等新型隔离器层出不穷，给光耦带来了很大的冲击，有逐渐替代的危险。
国外和国内的光耦制造商
经过近50年的发展，全球光耦合产业格局趋于稳定。日本和美国品牌以高阶光耦合主导市场，台湾品牌垄断了中低端光耦合产能的一半以上，而国内光耦合品牌以2019年国内替代风口逐渐走向舞台。在国内市场上，日本和美国的光耦合在销售和利润中所占比例最高，其中代表制造商有：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)等等。
台湾厂商出货量最大，基本垄断了低阶市场50%~60%的产能，代表企业LITE-ON(光宝)、EVERLIGHT(亿光)、CT MICRO COSMO KINGBRIGHT(今台)和BRIGHT(白鸿)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及YD(优达光)等新秀企业正在崛起。
数字隔离的优缺点
直到20世纪90年代末，光耦基本上是市场上唯一的解决方案。因为光耦合器来自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，逻辑高电平 （Logic HIGH），而关闭时为逻辑低电平（Logic LOW），这意味着功耗将在传输过程中继续产生。然而，以CMOS基本的数字隔离器使用电感（磁性）或电容耦合来传输信号，具有更快的传输响应，可以使用编码来表达逻辑高电平和逻辑低电平。因此，数字隔离器可以减少长时间高电平下的功耗，并处理复杂的双向接口，如485和I2C。
用数字隔离器代替光耦有以下优点：
●提高数据速率和时序特性
●多个隔离通道等功能的集成可以缩小尺寸，降低成本
●功耗比光耦节高达90%
●至少连接其他数字设备所需的外部元件
●不需要光耦LED，提高可靠性
此外，数字隔离器具有良好的共模瞬态抗扰性 (Common Mode Transient Immunity，CMTI)性能。CMTI由于高摆率(高频率)瞬变可能会破坏隔离栅之间的数据传输，因此隔离效果非常重要。CMTI通常以千微伏每微秒 （kV/us） 单位测量是指隔离器在输入和输出之间拒绝噪声的能力。CMTI数字隔离器具有较强的隔离能力CMTI可达 200kV/us ，光耦合器一般较低。
数字隔离的优点包括高速、长寿命、鲁棒性、良好的顺序规范和较低的功耗。然而，数字隔离元件在许多中低端应用程序中并不具有成本竞争力。此外，对于一些应用程序，光耦合已经被测试了很长时间，并且非常可靠。数字隔离器不容易更换光耦合器，设计师也不愿意冒尝试新技术的风险。光学、磁性或电容器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程序。这些优缺点不会随着时间的推移而发生重大变化。
国内数字隔离行业起步较晚，但在市场需求推动、国内替代需求强劲的背景下，模拟细分市场也开始培育出生力量。总部位于上海青浦的四川土微电子公司专注于射频和隔离芯片的设计。其产品包括射频、隔离和接口系列。目前已广泛应用于工业控制、电源能源、仪器仪表、通信网络、电力系统等领域。近日，公司发布了全系列综合隔离电源的最新隔离芯片，强调通过持续的自主创新、技术突破和渠道整合，实现企业的快速发展，开辟新局面。 这几年，虽然ADI数字隔离市场一直占据领先地位，但Silicon Labs通过有效的业务扩张，和德州仪器也实现了和谐ADI相似的水平形成了三足鼎立的市场格局。NVE虽然业务增长不如其他公司，但仍然非常活跃。目前，英特锡尔、美信、恩智浦、意大利半导体、罗姆等公司也开始在市场上销售数字隔离产品。
虽然当地的数字隔离制造商起步较晚，但随着国内替代品的东风，它们也开始迅速发展。国内数字隔离器制造商有：苏州纳芯微电子、上海荣派、上海川土微电子。
川土微电子推出的全系列隔离芯片系列包括集成隔离电源（CA-IS306X、CA-IS309X、CA-IS36XX）、基于Pulse-Coding超低功耗电容数字隔离器系列（CS817x）、AISG接口芯片（CA-IF4023）、±30V总线保护±15V共模输入的RS485收发器系列（CA-IF48XX、CS48XX）等。
川土微电子副总经理兼首席技术官云廷华表示，这是中国第一个集成隔离电源的隔离器芯片系列。作为公司今年推出的重新产品，它可以同时在芯片中完成信号隔离 电源隔离 RS-485/CAN收发器，有SOP16-W,POD=10.3mm x 7.5mm x 2.5mm小尺寸包装完全突破了行业现有的局限性。在产品设计上，具有全集成微片变压器、高达53%的转换效率和高隔离耐压5kVRMS等特点。该系列隔离器芯片通过内部集成变压器、高集成度的隔离电源解决方案，提升了隔离电源的耐压等级、系统可靠性及稳定性，并降低了系统设计复杂度。
其中的CA-IS36XX增强隔离耐压和集成DC-DC转换器的芯片可以取代传统的分离器件隔离电源方案，新方案使形状尺寸更小，可以实现完全隔离。CA-IS36XX如果输入信号丢失，所有设备都有故障安全模式选项L默认为后缀芯片输出为低电平H默认输出后缀芯片为高电平。典型应用包括工业自动化、电机控制、医疗设备、汽车电子、仪器仪表等。
CA-IS306X隔离控制区域网络（CAN）物理层收发器同时集成内部隔离DC-DC转换器具有限流、过压和接地损耗保护（–40V至40V）以及热关功能，可输出短路，共模电压范围为–12V至12V。可广泛应用于CAN数据总线、工业网络、建筑和温室环境控制自动化、安全系统、运输、医疗、电信等领域。
CA-IS309X是集成隔离电源的隔离型RS-485/RS-422收发器具有高电磁抗干扰和低辐射特性，可有效防止数据总线或其他电路上的噪声和浪涌进入本地接地端，干扰或损坏敏感电路。CMTI能力能保证数字信号的正确传输，可广泛应用于隔离RS-485/RS-422通信、光伏逆变器、电机驱动器等领域。
该系列产品已正式对外销售。
CS817X川土微电子基于授权专利pulse-coding超低功耗容隔式数字隔离器技术打造的第三代数字隔离器系列。pulse-coding是川土微电子首创的容隔调整解调技术，已经获得专利授权，典型应用包括锂电池保护、白色家电、工业自动化、电机控制、隔离开关电源等。 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。