光耦合器，也稱為光隔離器或光電耦合器，其已被用于實(shí)現(xiàn)電子電路電流隔離超過40年,。光耦合器使用LED和光電晶體管來實(shí)現(xiàn)信號通信，而無需傳輸電流,。作為一種低成本的解決方案，光耦合器一直很受歡迎,。但考慮到數(shù)字隔離技術(shù)的進(jìn)步,，光耦合器真的是實(shí)現(xiàn)RS-485系統(tǒng)電流隔離的最具成本效益的方法嗎？
圖1所示為隔離式RS-485收發(fā)器使用光耦合器實(shí)現(xiàn)電流隔離的典型電路,。該解決方案共需要三個(gè)光耦合器：兩個(gè)高速光耦合器（每個(gè)用于發(fā)送和接收信號）以及一個(gè)用于方向控制的低速光耦合器,。該解決方案還需要大量外部元件，包括施密特緩沖器,、施密特觸發(fā)器,、電阻器和旁路電容器。所有這些組件都會(huì)增加成本和電路板面積,。
圖 1：采用光耦合器的隔離式RS-485設(shè)計(jì)
當(dāng)今許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在各類工業(yè)市場中遇到了電路板空間限制的問題,，因?yàn)樗麄兊哪繕?biāo)是在每一代新產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)更小的整體解決方案尺寸或增強(qiáng)功能。其中一個(gè)示例是調(diào)節(jié)樓宇中的溫度和氣流的暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng),。隨著智能節(jié)能樓宇的發(fā)展趨勢,，新型HVAC控制板需要能夠?qū)⑾冗M(jìn)的監(jiān)控和接口與智能恒溫系統(tǒng)相結(jié)合，而不增加整體解決方案的尺寸,。
RS-485是這些系統(tǒng)中的通用通信接口,，因?yàn)樗哂虚L距離可靠性。當(dāng)RS-485節(jié)點(diǎn)置于具有不同接地電位的位置時(shí),，共模噪聲會(huì)導(dǎo)致通信故障,，因此需要隔離以防止這些地電位差異。使用龐大的光耦合器解決方案隔離RS-485使設(shè)計(jì)人員只在系統(tǒng)的其他方面做出妥協(xié),，因此出現(xiàn)了對更小的隔離接口解決方案的需求,。
除大尺寸解決方案外，許多設(shè)計(jì)人員還會(huì)遇到光耦合器的這些性能問題：
可靠性,。光耦合器通常使用環(huán)氧樹脂作為電介質(zhì),；與其他常見電介質(zhì)相比，環(huán)氧樹脂在較低電壓下會(huì)發(fā)生擊穿,，如圖2所示。組件不一致和LED劣化也會(huì)導(dǎo)致器件到器件在隔離可靠性和壽命方面的差異,。
圖 2：普通絕緣體材料的介電強(qiáng)度
能耗：每個(gè)光耦合器需要5-10 mA才能驅(qū)動(dòng)內(nèi)部輸入芯片上的LED,。
溫度范圍：光耦合器大多限于承受85°C的最高環(huán)境溫度，極少數(shù)例外情況下能承受高達(dá)105°C的溫度。
開關(guān)規(guī)格：光耦合器的上升/下降時(shí)間和傳播延遲隨著偏置電流,、電流傳輸比和器件到器件的變化而變化,。
噪音抗擾度光耦合器的典型共模瞬變抗擾度范圍為15 kV/μs至25 kV/μs。在高于此電平的電壓瞬變的情況下,，很可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞,。
為滿足日益增長的緊湊型解決方案需求且不影響性能，德州儀器開發(fā)了ISO1500隔離式RS-485收發(fā)器,。圖3與圖1所示的光耦合器解決方案的尺寸進(jìn)行了比較,，這是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的16引腳小外形集成電路（SOIC）隔離RS-485收發(fā)器和ISO1500。請注意,，這些設(shè)計(jì)僅顯示RS-485收發(fā)器的信號隔離,。應(yīng)用手冊，“如何隔離RS-485系統(tǒng)的信號和電源”,， 為RS-485系統(tǒng)中的隔離電源提供了有用概述,。
圖 3：光耦合器解決方案之間的解決方案尺寸比較（a）；業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的16引腳SOIC隔離式RS-485收發(fā)器（b）,；和德州儀器的ISO1500 (c)
與分立式光耦合器解決方案相比,，ISO1500可減少多達(dá)85％的電路板空間，與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的16引腳SOIC封裝相比,，可節(jié)省多達(dá)50％的電路板空間,。除了最小化解決方案尺寸外，ISO1500還解決了上面提到的許多性能問題,。所有德州儀器隔離式RS-485收發(fā)器均采用半導(dǎo)體制造工藝制造,，使用二氧化硅作為電介質(zhì)，以最大限度地減少器件之間的差異,，并提供更可靠的高壓性能,。ISO1500消耗<10μA的電流來驅(qū)動(dòng)基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的輸入，可在-40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)使用,。與傳統(tǒng)光耦合器相比,，具有可預(yù)測的開關(guān)規(guī)格和更高的抗噪性。當(dāng)您將這些系統(tǒng)級優(yōu)勢與使用ISO1500所節(jié)省的電路板空間優(yōu)勢相結(jié)合時(shí),，很明顯,，光耦合器的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于僅為器件支付的價(jià)格。