从光耦合器件到光学仿真器，光学仿真器延续光耦隔离技术路线

来源：电子发烧友| 发布日期：2023-10-11 10:35

光耦合器是为人熟知的隔离耦合技术，光耦作为最早出现的隔离技术，光耦在很长一段时间里解决了不少电气隔离问题。而且，光耦在牺牲一部分CMTI的情况下可以做到很高的数据速率，因此其应用场景一直很多。光耦的优劣势都很明显，高数据速率和厚绝缘层的耐压优势是与生俱来的，但也面临着在隔离上强度不够等劣势。为了保证光耦高传输速率的同时提升其可靠性，光学仿真器开始崭露头角。

从光耦合器件到光学仿真器

光耦合隔离技术路线一度是隔离技术路线上的主导技术，它以光为媒介传输电信号，有着体积小、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。光耦合隔离可以将输入端隔离，使得输出端与输入端完全没有电气联系，避免了信号间的干扰和相互干扰的问题，保护输入端和输出端的安全性。

但其弊端在于，光耦使用的绝缘材料电介质强度都偏低，高级别的隔离需求下只能通过在器件内做更多的物理分割来增强其隔离等级。即便如此，在绝大部分情况下它能达到的CMTI也都不高。

从整体性能来说，光耦正在被其他耦合技术慢慢替代，现在使用光耦往往需要看应用场景的取舍。为了弥补光耦与其他耦合技术的差距，光学仿真器被引入进来。

光学仿真器，又称光耦仿真器，是光耦合器的引脚对引脚替代方案，可为工业等应用中的隔离系统提供更高的可靠性和信号完整性。简单易操作的直接插入替换的光学仿真器带来了更宽的工作温度范围、更高的共模瞬态抗扰度和更长的使用寿命。

光学仿真器是可以无缝集成到设计中的，提供和光耦等效的信号行为。从器件的外观到行为和传统光耦隔离器并无二致，但其隔离能力极大增强。通过SiO2屏障，光学仿真器的隔离能力得到提升，能有效阻断高压信号并防止接地回路，确保系统安全和稳定。

光学仿真器对比光耦提升在哪里？

这种完全的上位替代能解决传统光耦的劣势，又是如何实现的呢？众所周知，传统的光耦合器使用LED通过隔离屏障传输数字或模拟信息，其中光电晶体管检测另一侧的信号。而光耦合器中使用的LED在其使用寿命内具有老化或退化效应。LED这种特性是设计中最容易遇到的问题。

上面提到，光耦使用的绝缘材料电介质强度都偏低，如空气、环氧树脂、模塑化合物等等。光学仿真器，使用SiO2电介质，直接将强度提升数倍。空气的介电强度在1VRMS/µm，环氧树脂的介电强度在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的介电强度，不再需要做物理分割来增强其隔离等级。

这种技术的引入让光学仿真器克服了传统光耦合器的局限性，CMTI得到了极大的提升，TI的光学仿真器已经能将CMTI做到125 kV/µs以上，这是传统光耦不可能达到的数值。其次，在各种温度下光学仿真提供了更稳定且紧凑的电流传输比（CTR）。

那CMTI的提升是否也是牺牲了数据速率呢，并不是，光学仿真器的数据速率不仅没有降低，同样能支持10Mbps以上的数据速率，高速应用完全不用担心速率问题。

根据TI公布的相关资料，光学仿真器还能做到更大的带宽和更低的功耗。根据相关信息，这类器件能进一步扩宽工作温度范围，车规级光学仿真器也会在未来出现。

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