TI发布两款光耦仿真器,据说高压应用能用40+年
由于光耦合器本身存在的限制,TI(德州仪器)最近宣布推出光耦仿真器,基于二氧化硅的隔离势垒,避免了传统光耦基于LED结构的诸多问题,据说寿命超过了40年...
TI( $德州仪器(TXN)$ )最近召开媒体发布会,宣布推出隔离产品光耦仿真器(opto-emulator)。具体的有两款产品,分别是数字信号光耦仿真器ISOM8710、模拟信号光耦仿真器ISO8110。这应该是TI的首波光耦仿真器产品,做到了相对于常见光耦合器的pin-to-pin兼容,下游客户设计上也就能做到直接替换。
传统光耦合器的限制
TI在高电压应用设计上的全信号链产品覆盖,是众所周知的,包括传感、功率转换、实时控制和隔离。TI隔离接口市场与应用经理Michael Schultis在发布会上说:“包括光伏、EV电动车等需要考虑严苛工作环境的应用。”隔离也是其中相当重要的一环,“设计安全的人机界面很关键,尤其对像TI这样的半导体制造商而言,需要提供解决方案,确保让设计者在高低压电路间,能达成安全、可靠的工作。”
在TI看来,不仅是要提升隔离产品的可靠性,而且应该消除不必要的所谓“超裕度设计”(overdesign)起到系统设计的优化效果。这里overdesign的存在,主要是因为传统光耦合器特性使然——光耦合器是针对系统信号做电气隔离的常规选择。
“虽说光耦合器这么多年来有着本身的优点,但在电特性、高压可靠性、不耐噪声环境等方面限制的存在,让设计者们需求这种基于LED光隔离的替换方案。”Michael说。
我们知道一般的光耦合器设计是基于LED,或者说基于光的:LED发射信息穿越隔离势垒(isolation barrier),另一面会有个探测器对信息做解码,实现隔离。
这个流程中的主要问题在于,这种结构存在持续老化的问题——则在其工作的全生命周期内,性能参数会逐步变差,包括各种环境差异带来的影响——这是需要做预先的overdesign的主要原因。“主要是LED变暗(dimming)所致,或者在某些情况下环氧树脂(epoxy)的黄变(yellowing effect)。
其二就是这类光耦合器所用的电介质一般就是空气或者环氧树脂——它们有着较低的介电常数。与此同时光耦合器是基于IEC60747-5-5做认证的,并不需要做寿命测试。
所以TI给出了光耦仿真器产品
在这些限制条件下,TI推出了光耦仿真器产品,包括数字光耦仿真器ISOM8710和模拟光耦仿真器ISO8110。光耦仿真器实际上不再是基于光的耦合器,“模拟光耦合器的行为”;本身是基于二氧化硅的隔离方案,但着力于pin-to-pin地替代现有的光耦,或者用Michael的话来说,是“无缝融入到现有设计中”。
据说新产品糅合了TI此前在这方面20年的经验,“在信号隔离技术上有着巨大的优势”,能够“满足设计工程师现代系统的设计需求,同时确保出色的性能、可靠性和安全性”。Michael在介绍中谈到。具体的产品相关优势如下图。
从上述光耦合器的缺点来看,TI的光耦仿真器就解决了这些问题。因为不再是基于LED的结构,而是“类似二极管”、基于二氧化硅的隔离,也就消除了LED的老化问题。“即便在长时间的压力测试下,也能确保产品维持纸面上的性能”,这对系统设计工程师而言,着眼的就是长期性能。另外“基于二氧化硅的技术,是用晶圆fab设备工艺流程,所以我们在隔离材料上有着相当精准的控制”。
光耦合器也需要测试寿命,做time dependent dielectric breakdown(时间相关介电击穿)测试。“基于针对二氧化硅隔离势垒的光耦仿真器测试,发现能够获得>40年的隔离寿命,也就通过了IEC60747-17认证标准”。
Michael举了隔离电源反馈电路的例子,“这类应用下需要用到光耦合器,可直接替换为光仿真器,因为我们提供了相同的pinout和封装”。“传统的光耦合器,运行在严苛环境条件下,有着较宽的CTR(current transfer ratio,电流传输比)范围。这就要求设计工程师针对最糟糕的场景做设计,这对系统设计而言是低效的。”
“而光耦仿真器在这样的运行环境里,仍然有表现更为一致(tighter)的CTR,不同温度也能达成更稳定的输出电压。”Michael表示,“另外,光仿真器也提供更宽的带宽,对主站控制器提供更快的反馈。”“最终也就有了更好的瞬态响应,可用更小的输出电容。那么系统成本可随之降低。”
目前两款产品均已出样,也有了对应的评估板。TI官网给出了更多资料,包括功耗降低、提升CMTI、数据速率、温度范围等数据。在答记者问时,Michael补充了一些数据,包括ISOM8710达成150kV/μs,“对噪声环境有着更高的宽容度”,“在各类严苛噪声环境下都能维持信号完整性”;“-55℃~+125℃的温度范围,相比于许多传统光耦合器都明显更宽——在这样的温度范围内,传统光耦合器面临CTR性能下降,并随时间推移受到老化问题的影响”。
未来的预期应用
Michael在谈到这种光耦仿真器的成本时说,“相信相比于传统的光耦合器,能够做到成本优势”,“所以我们预期对很多用光耦合器的系统设计而言,能够做到直接替换。”在具体的应用上,就着眼在原本光耦合器的应用场景,比如电网、储能、光伏、工厂自动化、EV充电桩、PLC类应用等。光耦仿真器应用于汽车的车规级产品预计明年推向市场。
值得一提的是,Michael说当前市面上的光耦合器可能有数万种之多,虽说本次发布的两款光耦仿真器是4-pin和5-pin SOIC封装的,已经能够替换不少传统光耦,但仍然无法覆盖100%。“我们计划发布更多的产品,作为产品组合中的一部分,包括不同CTR规格的,或者从电压、封装等方面考量的其他产品。”
作者:黄烨锋
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