Les optocoupleurs ont longtemps été une option pour les concepteurs cherchant une isolation galvanique pour les signaux du système. Cet article explore les alternatives à cette technologie.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec Bodo’s Power Systems.
Les optocoupleurs, également connus sous le nom de photocoupleurs, opto-isolateurs et isolateurs optiques, sont depuis longtemps une option pour les concepteurs cherchant une isolation galvanique pour leurs signaux du système. Depuis les années 1970, ces dispositifs à semi-conducteurs jouent un rôle important dans la fourniture d’une isolation de sécurité pour les équipements finaux industriels et automobiles. Cependant, malgré des avancées significatives, leurs progrès en termes de caractéristiques électriques, de fiabilité à haute tension et de capacités d’intégration semblent limités, ce qui pousse les concepteurs à explorer des alternatives.
Des technologies telles que l’isolation capacitante et magnétique ont émergé comme des alternatives, offrant de meilleures performances globales par rapport aux optocoupleurs. Texas Instruments (TI) a investi dans la technologie d’isolation numérique à base de dioxyde de silicium (SiO2) depuis le début des années 2000, en proposant des produits isolateurs numériques offrant les mêmes fonctionnalités que les optocoupleurs, avec quelques avantages distincts.
Combler le fossé : introduction des opto-émulateurs
Les opto-émulateurs de Texas Instruments combinent les avantages des optocoupleurs traditionnels et de la technologie d’isolation à base de SiO2 de TI. Les opto-émulateurs sont compatibles broche à broche avec les optocoupleurs les plus populaires de l’industrie, ce qui facilite leur intégration transparente dans les conceptions existantes tout en offrant un comportement de signal équivalent. Ces produits apparaissent et se comportent exactement comme des optocoupleurs du point de vue d’un concepteur, mais exploitent la technologie SiO2 de TI pour la barrière d’isolation. En bloquant efficacement les signaux à haute tension et en empêchant les boucles de masse, assurant ainsi la sécurité et la stabilité du système, vous pouvez exploiter les avantages de l’isolation SiO2, qui incluent des caractéristiques électriques améliorées, une fiabilité à haute tension accrue et la possibilité d’intégrer des fonctionnalités supplémentaires du système. En créant ce type de produit à semi-conducteur, notre objectif est de vous offrir le meilleur des deux mondes.
Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les optocoupleurs traditionnels utilisent une LED pour transmettre des informations numériques ou analogiques à travers une barrière d’isolation où un phototransistor détecte le signal de l’autre côté, comme le montre la figure 1. Il est bien connu que les LED utilisées dans les optocoupleurs subissent un vieillissement ou une dégradation au fil du temps. Cette propriété est un problème majeur pour les concepteurs de systèmes, et c’est la principale plainte que nous entendons. De plus, le matériau isolant utilisé dans un optocoupleur va de l’air aux époxydes ou aux composés de moulage. Le tableau 1 montre la différence de résistance à l’isolation entre un optocoupleur et un opto-émulateur utilisant un diélectrique en SiO2.
Figure 1. Construction typique d’un optocoupleur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Tableau 1. Résistance à l’isolation de différents matériaux isolants
| Matériaux isolants | Technologie | Résistance diélectrique |
| Air | Optocoupleurs | ~1 VRMS/µm |
| Époxydes | Optocoupleurs | ~20 VRMS/µm |
| Composés de moulage remplis de silice | Optocoupleurs | ~100 VRMS/µm |
| SiO2 | Opto-émulateurs | ~500 VRMS/µm |
Avec les opto-émulateurs utilisant une barrière d’isolation à base de SiO2 pour assurer l’isolation du signal, il est possible d’éviter ces problèmes courants des optocoupleurs. La figure 2 montre la construction interne d’un opto-émulateur TI, où le comportement fonctionnel d’un optocoupleur traditionnel est émulé sur les circuits d’émission et de réception, et le SiO2 assure l’isolation à haute tension.
Figure 2. Construction d’un isolateur numérique TI. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Avantages des opto-émulateurs
En intégrant une technologie d’isolation avancée, les opto-émulateurs peuvent surmonter les limitations associées aux optocoupleurs traditionnels, offrant ainsi des performances et une fiabilité supérieures. Parlons de quelques avantages des opto-émulateurs :
Consommation d’énergie réduite
Les optocoupleurs traditionnels nécessitent une surdimensionnement initial pour compenser les effets inévitables du vieillissement de la LED, ce qui entraîne un courant direct supplémentaire (IF) tout au long de la durée de vie de la conception. Les opto-émulateurs TI peuvent vous faire économiser jusqu’à 80 % de votre budget énergétique en offrant un courant direct (IF) et un courant d’alimentation beaucoup plus faibles.
Immunité transitoire en mode commun améliorée
Tandis qu’un optocoupleur numérique commun spécifie une immunité transitoire en mode commun (CMTI) d’environ 15 kV/µs, l’ISOM8710 a un CMTI minimum de 125 kV/µs, ce qui permet son utilisation dans des applications avec des bruits de mode commun très élevés ou des bruits de sonnerie élevés.
Rapport de transfert de courant stable et précis
Finis les jours où l’on payait plus cher pour une plage de rapport de transfert de courant (CTR) plus précise. Les opto-émulateurs TI tels que l’ISOM8110 offrent en standard plusieurs plages de CTR précises et stables sur toute la plage de température.
Vitesses de transmission rapides
Les optocoupleurs haute vitesse typiques prennent en charge des débits de données allant de 1 Mbps à 10 Mbps, tandis que l’ISOM8710 prend en charge 25 Mbps. Cette prise en charge permet un débit plus élevé et facilite l’utilisation des opto-émulateurs dans une variété d’applications haute vitesse.
Bande passante
L’ISOM8110 prend en charge une large bande passante de 680 kHz, ce qui permet de réduire la taille des magnétiques obligatoires (inducteur et transformateur). La large bande passante permet d’améliorer les réponses transitoires des convertisseurs flyback régulés côté secondaire. La réponse transitoire améliorée permet de réduire la taille des condensateurs de sortie, libérant ainsi de l’espace sur la carte et réduisant le coût global du système, notamment dans les designs à nitrure de gallium à fréquence de commutation élevée.
Large plage de température
Les optocoupleurs standards prennent en charge une plage de température de 0°C à +85°C. Bien que certains optocoupleurs prennent en charge une plage de température plus large, cette fonctionnalité s’accompagne d’un coût supplémentaire. Les opto-émulateurs TI prennent en charge une plage de température allant jusqu’à -55°C à +125°C en tant qu’offre standard, et d’autres dispositifs qualifiés automobile seront disponibles en 2024.
Isolation fiable
Les opto-émulateurs offrent une meilleure capacité à haute tension, ce qui les rend adaptés aux applications exigeant une isolation fiable. Les opto-émulateurs TI exploitent le SiO2 pour la barrière isolante, offrant une isolation de 500 V/µm, beaucoup plus forte que l’air (1 V/µm) utilisé dans de nombreux optocoupleurs.
Conclusions sur les opto-émulateurs
Les opto-émulateurs représentent une avancée significative dans la technologie d’isolation des signaux, combinant la familiarité des optocoupleurs avec les avantages de l’isolation à base de SiO2. Ces dispositifs vous permettent de répondre aux exigences des systèmes modernes, garantissant des performances, une fiabilité et une sécurité accrues. En exploitant les opto-émulateurs, vous pouvez optimiser vos conceptions et tirer parti des avancées en matière de technologie d’isolation.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].