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选择光隔离器时的重要规格

隔离电压

带宽

线性度

电流传输比

光隔离器是一种电子设备，可用于在二极管之间传递信息而不传递电流。由于不需要在光隔离器电路的输入和输出之间直接传递电压或电流，因此这些组件可用于在 PCB 的两个区域中提供电气隔离。光隔离器充当保护机制，确保有害电流不会流过设备。

简而言之，光隔离器的工作原理是获取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，在同一设备内，光电二极管、光电晶体管或光电达林顿晶体管等光敏设备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。这些组件密封在不透明的封装中，以防止外部光线的干扰。

有许多不同类型的光隔离器电路广泛用于通信、控制和监控系统，在这些系统中，数据信号可能为有害电压提供入口点，从而损坏设备。它们在易受感应电压瞬变或接地平面浪涌影响的长数据电缆进入包含敏感半导体元件的电子设备时特别有用。

选择光隔离器时的重要规格

值得一提的是，光耦合器和光隔离器这两个术语经常互换使用；但是，通常的约定是，光耦合器是可以隔离高达约 5000V 电压的器件，而光隔离器是可以隔离超过 5000V 电压的器件。如果您看到此约定的例外情况，请不要感到惊讶。也有不同的光隔离器速度，并且像固态继电器这样的快速光隔离器在数据传输方面将优于二极管光隔离器。如有疑问，请研究数据表。下图显示了光隔离器或光耦合器的典型电路图，左侧为输入，右侧为输出。

目前，我们想关注不同类型的光隔离器。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。

隔离电压

隔离电压是 LED 和光传感器之间可以存在的最大额定电压差。该隔离电压由光隔离器器件本身的结构和器件外部因素决定。当设备的光源元件处的电压跨过光传感器元件时，将发生内部击穿。类似地，当器件输入引脚上的电压跨接至输出引脚时，将发生外部击穿。这受 PCB 设计的影响，即输入和输出走线的布线和分离方式以及设备周围的环境条件。产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 的输入到输出电压差和大约 25 kV/μs 的电压瞬变。

带宽

在光隔离器电路用于去耦接地层或电压检测输入的情况下，隔离信号的变化率相对不重要。然而，在光隔离器用于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。典型应用范围从速度相对较慢的串行数据链路（例如以数十 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（见下文），但也有专门设计用于更快数据速率的设备。请记住，任何光隔离器电路可实现的数据速率将取决于输出的负载方式和受温度的影响。如果您要隔离快速数据链路，请仔细研究数据表。

带宽可以在光隔离器的增益曲线中看到。此处显示的示例适用于 Broadcom 的 HCPL-7840-000E。

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，使用电磁感应提供不导电屏障，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。在光隔离器用于解耦模拟信号的情况下，任何残留的非线性都会特别明显。

专门的模拟光隔离器已经开发出来，具有最小的非线性。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环路中，通过消除非线性进行补偿。

电流传输比

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

CTR 不是恒定的，而是取决于进入组件的输入电流。CTR 也会随着每个组件、其温度和组件的使用年限而变化，因此选择能够在光隔离器将使用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。组件的制造公差会导致同一批次组件的 CTR 范围很广，因此设计必须基于数据表中规定的最小 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，请为错误添加一个合理的余量，并使用最坏情况下的元件值来模拟电路，以确保电路能够正常工作。

力量

最后一个要记住的因素是光隔离器电路本身的功率要求以及组件因损耗产生的热量的管理。基本组件的效率可能相对较低，并且会产生大量的热能水平，必须妥善处理，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，请记住将光隔离器电路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，以防止瞬变在走线之间发生电容或电感耦合。

光隔离器结构

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隔离通道内，也称为电介质通道。光隔离通道末端的光敏器件直接从接收到的光中生成电信号，或者使用接收到的光来调制从外部电源流出的电流。光敏器件可以是光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、可控硅 (SCR) 或三端双向可控硅开关元件。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形成双向光隔离器，每个光敏电阻位于光隔离通道的两端。性能和效率问题限制了双向光隔离器的可用性和应用。可以使用两个反向配置的单向光隔离器来实现等效电路，但代价是需要更多占位面积更大的分立元件。

四种类型的光隔离器组件（从左到右）：施密特缓冲器、双向晶闸管、光电晶体管和 SCR。这些设备也可以在多个通道中配置。

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。传感器管芯上覆盖着一片玻璃或透明塑料，顶部是 LED 管芯。传感器的吸收光谱将与 LED 的输出光谱相匹配。光隔离通道的厚度决定了器件的额定击穿电压。额定更高击穿电压的设备通常具有硅胶圆顶结构。LED 和传感器芯片放置在封装的另一侧，由透明硅胶圆顶形成的间隙隔开。圆顶的形状可将最大量的光从 LED 引导至传感器。

应用

电子设备和信号及电力传输线可以经常受到闪电和静电放电感应的电压浪涌、射频干扰以及负载变化产生的脉冲。正如在上一篇文章中所讨论的，远程雷击可以在长距离通信和电力线路中引发数 kV 浪涌。光隔离器可以提供一种解决方案，以防止设备输入端出现的电压浪涌影响该设备内更敏感的组件。在某些应用中，设备将采用高压的元件作为设计的一部分。该设计很可能需要电路的高压元件和标准低压元件之间的接口。在这种情况下，光隔离器还可以帮助将不同的元素安全地分开。

在光隔离器用于驱动数字逻辑电平的情况下，需要考虑输出配置。如果光隔离器的输出需要从零伏摆动到电源轨以适应负载电路，则需要具有图腾柱输出配置的光隔离器。否则，可以选择更常见的推挽配置。

光隔离器与等效隔离变压器的主要区别在于没有能量流过器件。它们通过调制提供给输出端的电能来反映到达输入端的能量水平来运行。然而，光隔离器相对于隔离变压器的一个显着优势是它们可以将非常低频的信号一直传输到直流电平。它们也更易于在电路设计中实现，因为输入和输出阻抗是独立的，不需要额外的元件来进行阻抗匹配。

光隔离器中的传感器类型

光敏电阻

光敏电阻是用于直流和交流电路的非极性器件。它们通过与接收到的光能强度成反比地改变电阻来工作。电阻的工作范围可以从几百欧姆到开路。传统上用于电话和工业自动化，除了乐器放大中的小众应用外，它们在主要方面已被取代。

光电二极管

当光能落在光电二极管上时，会产生与接收到的光能强度成正比的电荷。这种小电荷可用于驱动高阻抗负载，光电二极管以光伏模式运行。当使用外部电压源对光电二极管进行反向偏置时，接收到的光能会增加流过二极管的反向电流，从而调制来自外部电源的能量流。在这种光电导模式下工作时，能量流速与接收到的光能强度成正比。通过将 LED 驱动器和输出放大器集成到光隔离器设备中，可以优化以这种光电导模式运行的光电二极管以相对较高的速度运行。这是您会在高性能、

光电晶体管

光电晶体管本质上比光电二极管慢，必须正确偏置和加载才能达到数十 kHz 的速度。然而，它们的集电极开路输出意味着它们具有能够产生更大输出电流并且更灵敏的优势。它们更适用于较慢的响应时间不会产生影响的直流电路。在光电晶体管的集电极开路输出上使用肖特基钳位可以在设备响应中提供相对较好的线性度。

photodarlington 是光电晶体管的变体，其中达林顿对配置中的一对晶体管提供比标准光电晶体管更高水平的增益和灵敏度，但代价是响应速度较慢。

光可控硅整流器

可控硅整流器 (SCR) 光隔离器是一种基于晶闸管的隔离器，专为交流电源控制应用而设计。它们也称为光电 SCR，可完全隔离交流电源线上的噪声和电压瞬变。仅在主 AC 周期的正半部分运行的性能限制使得它们的使用不如光电三端双向可控硅器件那么普遍。

光电三端双向可控硅

光电三端双向可控硅开关（交流电三极管）光电隔离器与光电 SCR 一样，经过优化以用于固态继电器应用，以控制交流电源供电的负载。三端双向可控硅光隔离器可以通过简单的开关直流输入安全地操作高压交流电源。与光电 SCR 不同，三端双向可控硅光隔离器可以在整个电源交流周期内运行，并具有过零检测功能，允许电路在切换电感负载时以最小的浪涌电流为负载驱动全功率。

光电MOSFET

Photo-MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）继电器是一种不太常见的光隔离器类型，专为快速切换应用而设计，在这些应用中，在具有挑战性的环境条件下需要高可靠性和长寿命。这些固态器件能够高效切换 1.5 kV 并处理高达 5 A 的电流，且无触点弹跳，被用于太阳能发电厂和电动汽车的最新一代电池管理系统中。

结论

在光隔离器类型之间进行选择时，不要只选择符合您预算且在您最喜欢的供应商处有库存的任何设备。光隔离器有多种不同类型，针对特定应用进行了优化。通过考虑关键因素开始选择过程；

您需要防范的最高电压是多少？

您是否需要快速光隔离器电路提供更快的数据传输速率？

您要隔离的信号带宽是多少？

您需要隔离直流电还是交流电，或者您正在考虑隔离高速数据线？

你如何为输出供电，它驱动什么负载？

了解这一点和输入的特性后，您需要的电流传输比是多少？

那么，您将如何将光隔离器整合到您的设计中，您需要包括哪些热管理措施？

这里的教训是，仅仅将光隔离器电路器件放到您的电路板上并不像乍看起来那么简单。从第一天起就必须将其视为整个设计过程的一部分，以确保您的电路正常工作。光隔离器非常适合从电路的其余部分去耦直流和低频信号，但它们需要外部电源，而且通常高频响应较差。变压器隔离器在高频方面表现出色，但无法处理直流信号。但是，处理添加到电路的电感的计算和阻抗匹配的要求可能使它们不适用于某些应用。另一个考虑因素是光隔离器芯片将比等效变压器隔离器小得多，并且更容易安装到电路板上。最后，不要忘记仿真工具的强大功能，可帮助确保您做出正确的选择。