隔离器从原理上一般分为三类:光电隔离器,电感式隔离器和电容隔离器。习惯上将第一类为光耦,后面两类称为隔离器。这三类隔离器应用广泛,各有合优缺点,其主要厂商都不断投入新的研发以获得更大市场份额。光耦方面,Avago,Vishay,Toshiba,松下,NEC,以及台湾冠西,佰鸿等都是行业翘楚,尤以Avago占市场优势地位。隔离器市场则以ADI,NVE,TI,Silicon labs等厂商占主力。
从整体上来说,尽管市场需求出现极大增长,数字隔离器的价格依然会保持稳定。虽然在隔离器零部件方面一直存在着价格压力,但当今的隔离器解决方案仍在不断增加新的特性,诸如低工率模式和安全能力。因此,当今市场上隔离器解决方案将会继续在提升价值的同时保持长期的较低价格。
光耦的主要优点是信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,无触点,使用寿命长。这种情形下,速度与功耗成为采购关注焦点。不同应用对光耦的速度要求也有所不同。 在低功耗方面,安华高最新超低功耗光耦ACPL-M61L/061L/064L/W61L/K64L比目前标准光耦省电90%。这些光耦可采用独特的集成电路设计和厚绝缘层材料,在不影响隔离和绝缘性能的条件下大幅度节省功耗,目标市场包括RS485、CANBus和I2C等通信接口、微处理器系统接口,以及模数转换应用的数字隔离。 除了对速度和功耗的要求之外,光耦也正在趋向于低电压特性。
此外,随着系统集成度的不断提高,工作环境日趋严格,光耦的体积、工作温度都受到前所未有的关注。 数字隔离器开始代替光耦 随着工业技术的不断发展,光耦的速率、LED老化、可靠性、功耗过高等缺点也暴露出来。对此,Silicon Labs隔离器产品总监DiwakarVishakhadatta表示:“传统光耦的最大问题是在可靠性和操作性方面存在弱点。随着老化,它们的性能也随之下降;并且,当在较高温度下操作时,实际上老化过程会加剧。系统设计人员开始认识到,通过转向基于CMOS的数字隔离器,他们可实现更高的集成、更快的速度、更低的功率和更加强的设计。
顺应趋势,Silicon Labs在2010年推出了5kV额定数字隔离器和隔离门驱动程序。DiwakarVishakhadatta表示,5kV Si84xx数字隔离器已开始提供样品并已量产。采用宽体SOIC-16封装的5Kv Si84xx器件,在一万颗采购量时,单价为0.86美元起。 “Si84xx比光耦可靠性高10倍,这就降低了整体系统成本并增强了使用这些隔离器解决方案的最终产品的可靠性。另外,Si84xx具有业界最快的性能表现,在单个封装中可提供高达150Mbps的速度和最多6个隔离通道。我们可在单个封装设计中可提供2个隔离门驱动器,使它们极为适合电源系统和电机控制应用。”DiwakarVishakhadatta补充道。 Silcon labs数字隔离器至今出货量已超过7500万个通道,且RF隔离架构已通过市场考验,并在许多工业、能源管理、通信在广播应用中获得验证。 另一代表性电感式隔离器产品是ADI的脉冲调制iCoupler隔离器。电感式隔离器使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信,它的优势是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声,并且信号量的转换效率极高,因而可以实现低功耗隔离器。 iCoupler技术消除了光耦相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题,功耗降低了90%,并且无需外部驱动器或分立器件。在同样的信号数据速率下,iCoupler产品的功耗是光耦的十分之一到六分之一。
今年上半年,三菱汽车公司已经采用ADI的iCoupel数字隔离开发用于一代“i-MiEV”全电动汽车的安全可靠和高效的锂离子电池供电系统。ADI汽车部副总裁Thomas Wessel表示:ADI的ADuM1402W和ADuM120W Coupler数字隔离器能够用来实现跨越高电压锂离子电池系统和标准汽车电子系统之间的安全隔离阻障传送数据。iCoupler隔离器还能满足其他要求,例如小尺寸,低功耗和延长电池寿命,从而为汽车提供更长巡航距离和更长使用寿命。”
目前,已有超过3亿个隔离通道采用了ADI专有的iCoupler技术。与传统光电耦合器中使用LED和光电二极管不同,这种技术基于芯片级变压器,支持更高的数据速率和更低的功耗,性能更加稳定。通过使用晶圆级工艺制造变压器,iCoupler通道能以较低成本相互集成以及与其它半导体功能集成一起。 以ADuM640x四通道隔离器系列为例,这些四通道隔离器具备5kVrms医用隔离等级(IEC 60601-1认证正在进行中),以及不同通道配置和数据速率的四个独立隔离通道。片上isoPower/隔离DC/DC转换器5.0V或3.3V工作,可提供高达500mW的稳压隔离电源。在低功耗隔离设计中这就可省去独立的DC/DC转换器。这些新型iCoupler四通道隔离器优于诸如带外DC/DC转换器的光耦等分立解决方案。因为新型iCoupler隔离器可同时将成本和电路板空间减少高达50%,并且能缩短上市时间。 iCoupler隔离器大量应用于电力自动化、工业测量、楼宇控制、煤矿安全、安防消防、智能交通、流量计、运动控制、电机控制、汽车车体通讯、仪器仪表、航天航空等产品及领域;在跌路、卫星接收、医疗等领域的应用正逐步扩大。 电感隔离的缺点之一是易受外部磁场(噪声)的干扰。与此相对,电容隔离产品则有很强的抗磁干扰能力,同时还具备很稳定的可靠性、耐用性及抗瞬态电压能力,适用于工厂自动化、过程控制(LPC)和数据采集系统等有干扰的高电压应用场合。电容耦合的缺点是无差分信号,并且噪声与信号共用同一条传输通道,这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率。如同电感耦合一样,电容耦合也存在带宽限制。并需要时钟编码数据。 TI隔离器采用片上高电压电容器,可提高数据传输速度,而功耗低于通用的高性能光耦合器。
以ISO722x隔离器为例,它在不同在温度和湿度下性能稳定,使用寿命超过25年。ISO722x系列提供三种速度选项:IMbps、25Mbps与150MBbps。