3 フォトカプラ エミュレータとは何ですか？

TI のフォトカプラ エミュレータは、従来のフォトカプラの利点と、TI の SiO₂ ベースの絶縁テクノロジーの利点を組み合わせたものです。図 3-1は、各種フォトカプラ エミュレータが、業界でもっとも人気のあるフォトカプラとピン互換であり、既存の設計にシームレスに統合できるほか、フォトカプラと同等の入力および出力信号の挙動を実現することを示しています。

図 3-1は、TI のフォトカプラ エミュレータの説明用の断面図で、内部に 3 つのダイが配置され、入力、絶縁、出力回路が配置されています。

表 3-1に、従来フォトカプラに見受けられてきたさまざまな絶縁素材の誘電体強度と、TI のフォトカプラ エミュレータに見受けられる SiO₂ の比較表を示します。フォトカプラ エミュレータは、高電圧への対応能力が向上しており、堅牢な絶縁を必要とするアプリケーション向けに設計されています。TI のフォトカプラ エミュレータは、絶縁バリアとして SiO₂ を活用しています。このことは、市場で使用されている多くのフォトカプラが採用している空気や材質よりも大幅に強力です。TI の SiO₂ 技術と信頼性の詳細については、『高信頼性と低コストを両立させる絶縁技術により高電圧設計の様々な課題を解決』をご覧ください。

TI のフォトカプラ エミュレータは、入力ピン上の LED の動作を再現するため、入力回路の信号伝送と電気的パラメータはフォトカプラの場合と似ています。ただし、フォトカプラ エミュレータの内部には実際の LED は存在しないため、以下のような利点があります。

1. 信号伝達用の内部 LED や、時間に応じてクラウドや黄色になる可能性のある透過的絶縁材は存在しないため、TI のフォトカプラ エミュレータを使用する場合、フォトカプラが全寿命にわたってこの劣化を補償するために必要な追加の電力は不要です。フォトカプラ エミュレータは LED を使用して信号を送信しません。そのため、設計においてこのような手法は適用されません。TI のフォトカプラ エミュレータに対応する信号送信、消費電力、その他の動作パラメータは、動作寿命全体を対象にして規定されており、プロセス、電圧、温度の変化をすでに考慮しています。
2. TI の既存のデジタル アイソレータ テクノロジーを土台とした、TI 初の高速フォトカプラ エミュレータ デバイスである ISOM871x ファミリは、最小 CMTI 仕様が 125 kV/µs であり、従来のオプトカプラを 100 kV/µs 以上上回っています。このため、フォトカプラ エミュレータは、従来のフォトカプラを使用できないように、同相スイッチングノイズが非常に大きいアプリケーションやリンギング振幅が大きいアプリケーションで使用できます。
3. 絶縁型電源の帰還制御ループのような標準的なアプリケーションでは CTR、フォトカプラの変動が電源帰還ループの応答に影響を及ぼすため、帰還ループの設計が複雑になり、適切な補償を考慮に入れる際にシステム設計者の課題が生じます。ISOM8110 のような TI のフォトカプラ エミュレータには、寿命と温度範囲全体にわたって高い安定性を備えた様々な各種 CTR 範囲を標準で備えています。
4. 標準的な高速フォトカプラが 100kbps から最大 1Mbps のデータ レートをサポートしているのに対し、ISOM8710 および ISOM8711 は絶縁バリアをまたぐ最大 25Mbps のデータ レートを送信できます。これにより、スループットが向上し、より高速なアプリケーションでの使用が可能になります。
5. 従来の OptoMOS アプリケーションでは、高速なスイッチングと低消費電力が必要です。TI の新しいフォトカプラ エミュレータである ISOM8610 は、寿命の延長と信頼性の高い絶縁を通じて、これらの設計のニーズを達成するのに役立ちます。
6. 多くのフォトカプラは最大 +85°C の温度範囲で動作するように制限されています。TI の ISOM871x デバイスは、−40°C から +125°C までの動作が規定されています。つまり、これらのデバイスのデータシートのパラメータは、多くの高速フォトカプラが想定していない条件を想定して規定されていることになります。TI のフォトカプラ エミュレータ ISOM811x ファミリは、–55°C から +125°C までのさらに拡張された温度範囲をサポートしています。

TI のフォトカプラ エミュレータは、TI のデジタル アイソレータ デバイスと同様、信号の絶縁を実現します。フォトカプラ エミュレータ内のエミュレーションとは、フォトカプラのように動作する入力/出力構造を再現すると同時に、TI の絶縁技術を使用して信号を絶縁することを指します。

標準的なフォトカプラは、入力段として LED を使用します。入力がダイオードをオンにすると、入力順方向電流が増加するにつれて、これらの LED は輝度が高くなります。LED からの光は、パッケージ内のフォト トランジスタに空気またはエポキシ ギャップを通して光り、その結果、出力側に電流をシンクします。これはフォトカプラのコア動作であり、LED とフォト トランジスタの間の空気またはエポキシ ギャップとして絶縁バリアを形成します。入力または出力の周囲に追加の回路を設計することで、AC 入力、ロジック、トライアック、ゲート ドライバの各出力を生成することもできます。

オプトエミュレータでは、入力信号は、オン/オフ キーイング (OOK) 変調方式を使用して絶縁バリアを通過します。トランスミッタは、バリアを介して高周波キャリアを送信することによって、1 つのデジタル状態を表しています。また、信号を送信しないことによって、もう 1 つのデジタル状態を表しています。アナログ フォトカプラ エミュレータでの信号伝送は同様に機能し、レシーバは高度なシグナル コンディショニングを行ってから信号を復調し、出力段経由で信号を生成します。OOK 変調方式の概念を、図 3-3 の波形で示します。