十五年积累，数字隔离器向光耦发起新一轮挑战

作者：张馨予

　　数字隔离器，顾名思义，就是利用数字技术实现信号与电源的隔离，从而保证人身及系统安全，确保高低压系统可以正常通信，并且不受浪涌电压及噪声的影响。

　　目前，随着电动汽车的发展，汽车电池母线电压不断提高，这就给电池、电机等高压侧以及芯片的低压侧之间的通信、采集、控制、功率传输等带来了挑战。需要更高耐压、更低功耗、更高传输率的隔离技术。除此之外，工业自动化领域也正在利用更多自控技术，通过网络将电子控制系统与工业的执行系统相连，这时就需要隔离技术以分隔高压高电流的执行系统和低压低电流的控制系统。

　　常见的隔离技术

　　在数字隔离器诞生之前，业界最早采用传统继电器作为隔离，之后光耦出现，并在长达50年的时间内，一直是隔离的基础。

　　近年来，随着半导体技术的进步，以及客户要求的提升，数字隔离器才开始显露头角。

　　目前数字隔离技术目前主要分两类，分别为电容隔离或电磁隔离。两者的原理都和光耦比较类似，只不过是将光变成了射频信号，利用电容或调制电磁进行调制，然后传输到接收端进行解调，中间部分用二氧化硅或其他材质进行隔离。

　　由于无需LED进行调制，因此数字隔离器供应商（诸如TI、Silicon Labs（现隔离器业务已被Skyworks并购）等），一直在宣传数字隔离技术可以实现长寿命，高可靠性，高一致性以及高性能等优势。

　　以TI的数字隔离技术为例，其ISO7842数字隔离器，根据老化测试结果显示，在2121 V最大重复峰值电压及1500V工作电压情况下，实现40年运行寿命。具体可靠性测试请参考（https://www.ti.com/lit/wp/slyy063/slyy063.pdf）

　　实际上这些数字隔离器厂商一直瞄准的，就是替代如今的光耦市场。根据 Markets and Markets 的数据，2020 年全球数字隔离类芯片的出货量为7.01亿颗，而光耦的年出货量则以数十上百亿计算，因此这对于数字隔离器厂商而言是颇具诱惑的。

　　当然，传统的光耦厂商也不会坐以待毙，如博通，即便其拥有广泛的隔离产品组合，但一直以来都在宣传光耦在安规方面的重要之处，并且仍在不断推出新品。

　　光耦目前对数字隔离器的主要优势就是在价格方面，但随着半导体规模效应的逐渐显现，数字隔离器的价格正在不断走低。同时，数字隔离器还可以通过多通道、高集成等方式，实现更高的性价比。此外，终端市场的需求暴涨，数字隔离器简单灵活的特性，也使其可以不断受到市场关注。

　　实际上除了几家传统信号链大厂之外，最近涌现出包括纳芯微、川土、荣湃等一批国内公司，也正是部分借了市场对于数字隔离的需求激增的东风。

　　隔离市场的打法

　　由于隔离技术涵盖着信号链的方方面面，因此最适合采用广撒网的方式，开发不同的产品组合。这一市场最典型的代表就是TI。

　　如图所示，2006年TI开发出了业界首款SIO2电容隔离器，此后，凭借其在隔离、信号链、电源上的技术组合，以及在工业和汽车市场的积累，不断推出应用于各场景，各系统的隔离产品组合。值得注意的是，TI是少数几家同时拥有集成电容和变压器技术的公司，既可以利用电容器传输隔离的信号与能量，同时也有集成变压器，利用电磁传递信号与能量，这使得TI可以针对不同传输速率，不同功率或隔离等级，推出不同种类的隔离器。

　　德州仪器 (TI) 电源开关、接口和照明部门副总裁兼总经理Troy Coleman特别强调，TI的数字隔离产品都符合VDDE0884-11和IEC60747-17要求，“我们从未收到任何客户在隔离方面产生的故障。”

　　同时，Coleman也解释了关于IEC60747-17数字隔离器安全标准与IEC60747-5-5光耦安全标准的异同（这也是光耦厂商一直所宣传的差异化）。Coleman表示，虽然IEC60747-17是最近发布的标准，但它是基于VDE0884-11和VDE0884-10标准（已经制定超过15年）的延续。IEC60747-17和VDE0881-11之间没有很大的差异。并且与IEC60747-5-5光耦合器标准相比，IEC60747-17具有更高的质量要求，例如时间相关介质击穿（TDDB）和浪涌、工作电压的安全裕度要求。IEC60747-5-5光耦合器标准不包括任何这些要求。“我们还对光耦与TI隔离技术进行了内部测试，并观察到TI的技术在时间相关介质击穿测试中具有优越的寿命和可靠性。”

　　除了长达15年的实际应用以及相应的安全认证，TI也进行了数百万小时的可靠性测试，从而全方位证明了数字隔离技术的可靠。同时，TI也投资开发了基于300mm晶圆的隔离技术，从而提供更高产能及更低成本，以满足不断增长的隔离市场需求。