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作者：Avago Technologies技術行銷工程師 / Harold Tisbe




不管什麼目的，電氣系統都有三個共同的主要需求，那就是可靠性、安全性以及長時間的工作壽命。為了確保安全地執行，使用者必須受到遠離設備危險以及高電壓的雙重隔離保護，要達成高可靠性以及長時間的工作壽命，控制電子電路也必須避免受到如電磁干擾以及突波脈衝等威脅。雖然目前已有多種技術可以提供電氣隔離，如電容器式、磁光、射頻以及光電轉換等技術，但光耦合器卻可提供其他隔離技術無法達成的安全保護。


設計工程師在選擇隔離技術時，在必須考慮的幾個因素中，最重要的就是設備和人員的安全性。工業設備通常使用數百到數千伏特的電壓工作，而人員可以安全接觸的範圍則只有42V DC或60V AC。採用積體電路的電子設備則更加敏感，甚至只要在錯誤接腳上出現數十伏特的電壓就可能造成產品的損壞。


即使是電氣系統的其他部份使用高電壓時，它們也必須在符合安全的極低電壓(SELV)條件下工作。將不同工作電壓予以分離並在之間傳遞資訊就是隔離元件的工作，隔離元件必須在隔離層面臨數百伏特的持續壓力下還能正常工作。


第二個考慮因素則是隔離元件的絕緣等級，絕緣基本上可以分為三個等級，分別為功能性、基礎性以及強化或雙重絕緣。功能性絕緣主要是設備的要求，和安全性無關。基礎性絕緣則可以在絕緣層未受破壞的條件下保護使用者免於受到電氣衝擊。強化或雙重絕緣還可以達到失效安全運作，也就是當一個層級的絕緣功能產生問題時，另一個層級的絕緣還能繼續保護使用者。所有由高電壓端連接到電子電路的訊號都可能推動使用者接觸的介面，例如開關和顯示螢幕就需要強化絕緣等級，而達到強化絕緣等級的主要考量之一為絕緣穿透距離(DTI)，也就是高電壓訊號必須跨越才能到達人員的距離。


安全之外的考量
雖然不是直接和人員安全相關，電子設備安全性以及設備可靠執行的一個重要考量因素為電磁相容性(EMC)。例如共模雜訊抑制能力以及輻射干擾度等因素在確保隔離元件是否可以正確傳遞控制訊號時非常重要。輻射干擾為隔離元件是否會在其他訊號線上造成錯誤的一個重要指標。


設計工程師應該要知道，機制退化問題可能在經過一段時間後使隔離元件失效。高電壓瞬變，例如靜態放電(ESD)和電壓突波代表了一種形式的失效機制。靜電放電通常來自於作業人員身上產生的靜電，電壓突波則是改變系統負載以及電感式負載切換時回送所產生的結果，這些電壓瞬變雖然不一定會立即造成元件的問題，但卻可能帶來日後引起失效的破壞。


隔離層上持續高電壓也可能造成失效問題，特別是絕緣物質中具有空隙的情況。這些空隙的部份放電可能會破壞絕緣物質，最後造成失效。為了確保這類情況不會在機器的工作壽命內產生，設計工程師必須考慮隔離元件本身的高電壓壽命規格。


隔離技術
設計工程師在考慮隔離技術時有幾種選擇，其中最簡單的一種是使用電容器來避免隔離層兩端的直流電壓相互影響，這個方式通常又稱作交流耦合(AC Coupling)。電容器式隔離只傳遞邏輯訊號大小的變化，而非邏輯訊號本身，電容器式耦合依賴兩個金屬板間靜電場的變化來傳遞資訊。


磁性隔離利用訊號路徑上變壓器的平衡特性，將訊號由輸入線圈以磁耦合方式跨越隔離層傳遞到輸出線圈。這種磁耦合方式只適合用來傳遞高頻交流訊號而不是直流電平，因此在磁隔離元件中必須包含一個可將邏輯電平轉變成為交流訊號的方法。


射頻隔離則使用開關編碼的方式將邏輯訊號轉變為無線脈衝，並透過磁場或電容器耦合方式由發射器傳送到接收器。這個方法解決了保留直流邏輯電平的問題，但卻存在必須加入主動射頻零組件的額外複雜度。


‘光耦合器’是透過光學方式使資訊通過隔離層，輸入訊號控制發光二極體的輸出強度，接著光二極體對這些光學訊號進行響應並據以對輸出電晶體進行開關控制，和其他隔離技術中使用的磁場或靜電場方式不同，光耦合不需要非常接近的感應距離。


技術比較：絕緣穿透距離(DTI)
比起其他隔離技術，不必靠近就可運作的自由度為光耦合器帶來在絕緣穿透距離(DTI)這個關鍵參數上的巨大優勢。圖1可看到光耦合器的絕緣穿透距離比其它隔離技術高上十倍到數十倍，例如典型的磁隔離元件通常採用CMOS單晶片材料和薄層聚亞胺作為隔離層，絕緣穿透距離可能只有17μm。同樣地，電容器性和射頻耦合使用的電容器則使用厚度僅8μm的二氧化矽(SiO2)，而光耦合器就算是採用SO5和SO16等較小型的表面安裝封裝，其絕緣層厚度通常也有80μm到1000μm。
圖1：相較於其他隔離技術，採用SO5和SO16表面安裝封裝的光耦合器在絕緣穿透距離(DTI)上更高數十倍，可為人員和設備帶來更高的安全性。

基於多個理由，絕緣穿透距離為隔離設計上的重要因素，絕緣層越薄，在正常工作電壓以及靜電放電和突波壓力下，對絕緣體的靜電壓力也就越大。因此，光耦合器的厚絕緣層能夠有效降低絕緣體的壓力，為光耦合器帶來更高的可靠性和更長的工作壽命。絕緣穿透距離在絕緣安全等級上也非常重要，固體絕緣需要 400μm或以上的厚度，薄膜絕緣則要求最少雙層深度來達到強化效果。相較於一般隔離技術僅提供單一薄層，安華高(Avago Technologies)的光耦合器產品擁有三層絕緣設計，可達到總共400μm的絕緣穿透距離。

技術比較：共模雜訊抑制能力
部份光耦合器廠商整合一個低成本法拉第屏蔽來隔離輸入和輸出，另外也使用獨特的封裝設計來極小化輸入到輸出的電容器大小，因此可以保護光耦合器免於共模雜訊的影響，雜訊抑制能力可透過在隔離元件的輸出接地參考和輸入電源接地間加上高電壓脈衝而實現，光耦合器的輸出顯示出即使在45kV/μs的高電壓瞬變條件下依然不受影響。如圖2左方，右方的射頻隔離器則在較低的4kV/μs電壓瞬變就出現數據漏失的情況。
圖2：光耦合器即使在45kV/μs的高電壓瞬變條件下依然不受影響，射頻隔離器則在較低的4kV/μs電壓瞬變就出現數據漏失。

技術比較：電磁干擾(EMI)
在評估隔離元件的防電磁干擾(EMI)性能時，開發工程師必須注意兩個方面，分別是環境中輻射EMI的抵抗能力以及元件本身產生的EMI。要測量工業環境中常見電磁干擾可能造成的影響，我們可透過在環繞元件的線圈上進行高電流脈衝放電，以產生具有電氣和磁場成分的寬頻突發雜訊。如圖3顯示，當EMI突波脈衝高達15A/30ns時，光耦合器依舊能正常工作，不過磁隔離元件則早在僅2.8A/30ns的水準就已失效。
圖3：光耦合器可處理比磁隔離器更高許多的雜訊電流，當光耦合器上出現高EMI雜訊時，如圖左的訊號不受影響，而圖右的磁隔離器則在中級EMI雜訊電流時出現訊號漏失。

輻射EMI的測量使用近距離探針和頻譜分析儀來測量隔離元件產生的訊號，所有元件使用相近的測試條件，如相近的輸入訊號、相同的測試板和環境。測試結果顯示，相較於其他隔離技術，光耦合器產生的EMI小了許多。
圖4：相較於其他隔離技術，光耦合器產生的EMI更小得多。

技術比較：抗高電壓突波能力
隔離層本身的整合性對於設備和使用者的安全非常重要，因此必須能承受電壓突波和靜電放電。要測試這個承受力，依照IEC 60747-5-5標準，在隔離層加上10kV的突波脈衝電壓，產生崩潰時的電壓就提供了隔離層的可靠性指標。由圖5中可看到，光耦合器可承受超過20kV的電壓突波，而其他隔離技術則會在4kV到10kV間失效。
圖5：高電壓突波造成隔離元件失效，但光耦合器的耐受力比其他隔離技術更高得多。

總結
光耦合器可為電氣系統提供最高等級的保護和可靠性，它們發出的電磁干擾最小，而且在抗EMI的能力上也優於其他隔離技術。另外它更是高電壓瞬變情況下抵抗能力最好的產品。光耦合器具有定義良好的安全規格，因而可取得強化等級認證，非常適合注重安全的應用，因而使其得以成為電氣系統中安全可靠隔離的最佳選擇。



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