TI发布两款光耦仿真器，据说高压应用能用40+年

TI（德州仪器）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。”