从光耦到数字隔离器的国产替代之路
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，如变压器和继电器等等。但最有效、最常用的隔离设备仍然是光电耦合器与数字隔离器。
●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：近年来发展起来的数字隔离器，它可以为电子系统中数字和模拟信号的传输提供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）
光耦合是20世纪70年代发展起来的一种隔离器件。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。目前，光耦已成为晶体管耦合器、高速集成电路输出耦合器、三端双向可控硅耦合器、光控继电器等应用最广泛的光电器件之一，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、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、远程信号传输、脉冲放大和固态继电器（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要求也不同，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的要求；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。
除了和外部，光耦产品也倾向于低电压特点。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，、、、、层出不穷，给光耦带来了很大的冲击，有逐渐被替代的危险。
国外和国内的光耦制造商
经过近50年的发展，全球光耦产业格局趋于稳定。日美品牌以高阶光耦为主导市场，台湾品牌垄断了中低端光耦一半以上的产能，而国产光耦品牌凭借2019年国产替代的风口逐渐走上舞台。在国内市场国内市场的销售和利润比例最高，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 (兆龙) 、COSMO (冠西) 、KINGBRIGHT(今台)和BRIGHT等等。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。
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因此，在数据传输应用中，LED打开时为逻辑高电平 （Logic HIGH），关闭时是逻辑低电平（Logic LOW），这意味着功耗将在传输过程中继续产生。
然而，以CMOS为基础的或传输信号，传输响应更快，可以使用编码来表达逻辑高电平和逻辑低电平。因此，数字隔离器可以在长时间的高电平下减少功率，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， 数字隔离器具有较好的数字隔离器 (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千微伏通常每微秒 （kV/us） 单位测量是指隔离器在输入输出之间拒绝噪声的能力。高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。
表一：与的优缺点对比
数字隔离的优点包括高速、长寿命、鲁棒性、时序规范好、功耗低等。然而，数字隔离元件在许多中低端应用中没有成本竞争力。此外，对于一些应用程序来说，光耦合已经被测试了很长时间，并且非常可靠。数字隔离器不容易取代光耦合，设计师也不愿意冒尝试新技术的风险。不同隔离方案的选择，如光学、磁性或电容隔离，将取决于特定客户的需求、细节和应用。随着时间的推移，这些利弊不会发生重大变化。
近几年，随之而来CMOS随着技术的不断进步，数字隔离技术开始发展，并逐渐得到市场的认可。各种光耦合替代技术也层出不穷，如电容隔离(容耦—TI、Silicon Labs和纳芯微)、电磁隔离(磁耦--ADI)等。
ADI十多年前，为寻求光耦合器替代方案而开发的 iCoupler 数字隔离器集成了高带宽片变压器和精细隔离器 CMOS 该电路提高了设计师的可靠性、尺寸、功耗、速度、时间精度和易用性。ADI 数字隔离器采用低应力厚膜聚酰亚胺绝缘层隔离数千伏 IC 单通道、多通道和双向配置集成在单芯片上。此外，它还可以嵌入其他数据采集、通信和控制 IC，在不担心隔离的情况下，设计师可以专注于系统功能的改进。
尽管近几年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相近的水平，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。
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。
隔离应用是工业领域最常见的，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
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。具体来看光耦是对的依耐性非常高，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
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。
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，。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。