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從光耦合器件到光學仿真器，光學仿真器延續光耦隔離技術路線

來源：電子發燒友| 發布日期：2023-10-11 10:35
光耦合器是為人熟知的隔離耦合技術，光耦作為最早出現的隔離技術，光耦在很長一段時間里解決了不少電氣隔離問題。而且，光耦在犧牲一部分CMTI的情況下可以做到很高的數據速率，因此其應用場景一直很多。光耦的優劣勢都很明顯，高數據速率和厚絕緣層的耐壓優勢是與生俱來的，但也面臨著在隔離上強度不夠等劣勢。為了保證光耦高傳輸速率的同時提升其可靠性，光學仿真器開始嶄露頭角。
從光耦合器件到光學仿真器
光耦合隔離技術路線一度是隔離技術路線上的主導技術，它以光為媒介傳輸電信號，有著體積小、壽命長、無觸點，具備抗干擾能力強、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號等優點。光耦合隔離可以將輸入端隔離，使得輸出端與輸入端完全沒有電氣聯系，避免了信號間的干擾和相互干擾的問題，保護輸入端和輸出端的安全性。
但其弊端在于，光耦使用的絕緣材料電介質強度都偏低，高級別的隔離需求下只能通過在器件內做更多的物理分割來增強其隔離等級。即便如此，在絕大部分情況下它能達到的CMTI也都不高。
從整體性能來說，光耦正在被其他耦合技術慢慢替代，現在使用光耦往往需要看應用場景的取舍。為了彌補光耦與其他耦合技術的差距，光學仿真器被引入進來。
光學仿真器，又稱光耦仿真器，是光耦合器的引腳對引腳替代方案，可為工業等應用中的隔離系統提供更高的可靠性和信號完整性。簡單易操作的直接插入替換的光學仿真器帶來了更寬的工作溫度范圍、更高的共模瞬態抗擾度和更長的使用壽命。
光學仿真器是可以無縫集成到設計中的，提供和光耦等效的信號行為。從器件的外觀到行為和傳統光耦隔離器并無二致，但其隔離能力極大增強。通過SiO2屏障，光學仿真器的隔離能力得到提升，能有效阻斷高壓信號并防止接地回路，確保系統安全和穩定。
光學仿真器對比光耦提升在哪里？
這種完全的上位替代能解決傳統光耦的劣勢，又是如何實現的呢？眾所周知，傳統的光耦合器使用LED通過隔離屏障傳輸數字或模擬信息，其中光電晶體管檢測另一側的信號。而光耦合器中使用的LED在其使用壽命內具有老化或退化效應。LED這種特性是設計中最容易遇到的問題。
上面提到，光耦使用的絕緣材料電介質強度都偏低，如空氣、環氧樹脂、模塑化合物等等。光學仿真器，使用SiO2電介質，直接將強度提升數倍。空氣的介電強度在1VRMS/μm，環氧樹脂的介電強度在20VRMS/μm，即便是模塑化合物也只有100VRMS/μm。而SiO2屏障的引入提供500VRMS/μm的介電強度，不再需要做物理分割來增強其隔離等級。
這種技術的引入讓光學仿真器克服了傳統光耦合器的局限性，CMTI得到了極大的提升，TI的光學仿真器已經能將CMTI做到125 kV/μs以上，這是傳統光耦不可能達到的數值。其次，在各種溫度下光學仿真提供了更穩定且緊湊的電流傳輸比（CTR）。
那CMTI的提升是否也是犧牲了數據速率呢，并不是，光學仿真器的數據速率不僅沒有降低，同樣能支持10Mbps以上的數據速率，高速應用完全不用擔心速率問題。
根據TI公布的相關資料，光學仿真器還能做到更大的帶寬和更低的功耗。根據相關信息，這類器件能進一步擴寬工作溫度范圍，車規級光學仿真器也會在未來出現。