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？

光隔离器是一种电子设备，它使包含在信号中的信息能够通过，同时在信号和设备之间提供电气隔离。光隔离器充当保护机制，确保有害电流不会流过设备。这是通过在电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是接收输入电信号并使用发光二极管将其转换为光信号，通常在近红外光谱中工作。然后，在同一设备中，光敏设备（例如光电二极管、光电晶体管或光电达林顿晶体管）将光信号转换回电信号。这为输入端出现的任何电压瞬变或过压电平提供了屏障，以免影响光隔离器输出端的电路。这些组件被密封在一个不透明的包装中，以防止外部光线的干扰。

光隔离器广泛用于通信、控制和监控系统，在这些系统中，数据信号可以为损坏设备的有害电压提供入口点。当长数据电缆容易受到感应电压瞬变或接地平面浪涌影响进入包含敏感半导体元件的电子设备时，它们特别有用。

值得一提的是，术语光耦合器和光隔离器经常互换使用；然而，通常的惯例是，光耦合器是可以隔离高达约 5000V 电压的设备，而光隔离器是可以隔离超过 5000V 电压的设备。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电压、带宽、线性度、电流传输比和功率要求。我们将依次讨论这些。

隔离电压

隔离电压是 LED 和光传感器之间可能存在的最大额定电压差。该隔离电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电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电压跨越到输出引脚时，将发生外部击穿。这受 PCB 设计的影响，即输入和输出的走线布线和分离方式以及设备周围的环境条件。发生电弧的电压取决于温度、湿度、间隔距离、压力和空气污染物的存在。距离和湿度是最重要的因素。典型的现成光隔离器可以承受高达 10 kV 的输入至输出电压差和大约 25 kV/μs 的电压瞬变。

带宽

在使用光隔离器去耦接地层或电压感测输入的情况下，隔离信号的变化率相对不重要。然而，在使用光隔离器来解耦数据链路和通信线路的情况下，设备的吞吐量变得至关重要。典型应用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大约 10 MHz的带宽，但也有专门设计用于更快数据速率的设备。请记住，任何光隔离器可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用于有线以太网网络，这些网络使用电磁感应来提供不导电的屏障，而无需外部电源。实施光隔离器电路可能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。

线性度

与任何半导体器件一样，光隔离器中使用的光电二极管在输入和输出之间的关系中将具有非线性元素，这会使通过隔离器的信号失真。确保光电二极管偏置并在其线性范围内工作，避免截止或饱和区域，将在一定程度上减少这种影响。在使用光隔离器去耦模拟信号的情况下，任何残留的非线性都会特别明显。

已开发出专业的模拟光隔离器以最大限度地减少非线性；通常，它们使用连接到运算放大器的两个光电二极管。一个光电二极管照常工作，而具有相同非线性性能的第二个器件位于放大器的反馈回路中，通过抵消非线性进行补偿。

电流传输比

电流传输比 (CTR) 是 LED 和传感器电流之间的比率，可有效地获得设备并反映其效率。具有低 CTR 的光隔离器将需要更多电流来驱动 LED，以便在光电晶体管上为输出负载产生足够的电流。

CTR 不是常数，而是取决于组件的输入电流。CTR 也将随每个单独的组件、其温度和组件的使用年限而变化，因此选择一种能够在将使用光隔离器的设备的最高额定温度和最长工作寿命下提供所需 CTR 的设备至关重要in. 组件的制造公差可能导致同一批组件内的 CTR 范围很广，因此设计必须基于数据表中规定的最低 CTR。所有这些因素都会使最佳设备的选择变得棘手。如果有疑问，请为错误添加适当的裕度并使用最坏情况下的组件值模拟电路，以确保电路正常工作。

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。基本组件的效率可能相对较低，并且会产生大量的热能，必须对其进行适当处理，特别是因为光隔离器本身的性能会受到热效应的不利影响。在设计电路布局时，请记住将光隔离器的输入走线与所有其他走线（尤其是接地层和电源层）适当分开，以防止走线之间的瞬态电容或电感耦合。

建造

光隔离器通常使用近红外 LED 将电输入信号转换为等效的光信号。光包含在封闭的光学通道内，也称为介电通道。光通道末端的光敏器件可以直接从接收到的光能中产生电信号，或者使用接收到的光能来调制从外部电源流出的电流。光感测装置可以是光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、可控硅整流器（SCR）或双向可控硅。由于光敏电阻既可用作光源又可用作光敏器件，因此可以使用两个光敏电阻（一个在光通道的每一端）来形成双向光隔离器。性能和效率问题限制了双向光隔离器的可用性和应用。等效电路可以使用两个反向配置的单向光隔离器来实现，但代价是需要更多具有更大占位面积的分立元件。

光隔离器的物理布局主要取决于所需的隔离电压。额定电压低于几 kV 的设备通常具有平面结构。传感器芯片覆盖有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电压。额定击穿电压较高的设备通常具有硅胶圆顶结构。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。圆顶的形状可以将尽可能多的光从 LED 引导到传感器。