LES PHOTOCOUPLEURS ONT LONGTEMPS DOMINÉ LE SECTEUR DE L'ISOLATION ÉLECTRONIQUE. MAIS LEUR POPULARITÉ DÉCLINE CONSIDÉRABLEMENT, CAR ILS SE REVÈLENT INCAPABLES DE RÉPONDRE AUX BESOINS ACTUELS EN MATIÈRE DE PERFORMANCES, ET SE VOIENT RAPIDEMENT REMPLACÉS PAR LES ISOLATEURS NUMÉRIQUES.

L'isolation galvanique, généralement désignée sous le simple nom d'« isolation », est un moyen de bloquer les courants continus et les courants alternatifs non souhaités, et d'éviter toute conduction directe entre deux sections d'un système, en autorisant cependant les échanges de signaux et/ou de puissance entre elles. Les composants semi-conducteurs qui assurent une isolation galvanique sont appelés « isolateurs ». Les photocoupleurs comptent parmi les premiers isolateurs de ce type. Technologie d'isolation exclusive, ils ont dominé le secteur pendant plusieurs décennies. Mais avec les progrès technologiques opérés sur les semi-conducteurs au cours des 30 dernières années, bien d'autres options d'isolation – capacitive, par exemple, ou magnétique – offrent les mêmes fonctionnalités qu'un photocoupleur, pour des performances globales supérieures.

Bien que les isolateurs numériques capacitifs et les photocoupleurs offrent des fonctionnalités similaires, ils sont assez différents dans leur construction et leur fonctionnement. Les photocoupleurs utilisent une Led pour transmettre des informations numériques ou analogiques à travers une barrière d'isolation – qui, souvent, consiste en une simple couche d'air. On a également parfois recours à l'époxy, un matériau isolant offrant une rigidité diélectrique légèrement supérieure à celle de l'air, comme l'indique la figure 1. Les isolateurs numériques capacitifs, quant à eux, sont constitués de deux condensateurs d'isolation en série qui utilisent du SiO comme 2 matériau diélectrique (voir figure  2). Celui-ci offre une rigidité diélectrique parmi les plus élevées sur le marché des isolants, et une robustesse considérable par rapport aux diélectriques des technologies concurrentes.

Koteshwar Rao (Texas Instruments) Koteshwar Rao dirige une équipe d'ingénieurs d'applications pour les composants d'isolation numérique de Texas Instruments. Il a rejoint le fabricant américain de circuits intégrés en 2009, après avoir été diplômé du RV College of Engineering de Bangalore.

PERFORMANCES DE COMMUTATION

Les isolateurs sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles et automobiles nécessitant une isolation des données ou des signaux de commande et d'état. Pour traiter ces signaux en temps utiles, ils ont besoin de caractéristiques de commutation optimales, qui limitent l'impact de l'opération sur les performances de synchronisation globale du système. En la matière, les photocoupleurs sont très peu efficaces ; les isolateurs numériques, en revanche, comptent parmi les meilleures solutions du marché, et permettent à un nombre croissant de systèmes de respecter leurs exigences de performances.

Les fiches techniques des photocoupleurs génériques ne mentionnent généralement pas les débits de données pris en charge. Il est donc difficile de savoir s'ils seront adaptés à une application donnée. La plupart sont également dotés d'un collecteur ouvert en sortie ; c'est la raison pour laquelle ils se caractérisent uniquement par

quelques valeurs de résistances de rappel vers le haut ou de charge sélectionnées. À l'inverse, la fiche technique de l'un des isolateurs numériques les plus récents de TI, l'ISO6741, indique très clairement qu'il prend en charge un débit de données de 50 Mbit/s. Il est donc très facile de savoir s'il convient à l'application voulue. De plus, contrairement aux photocoupleurs, les isolateurs numériques ne nécessitent pas de résistance externe de rappel vers le haut pour fonctionner, et leur débit de données maximal ne dépend pas largement de composants extérieurs.

En comparant les spécifications de synchronisation d'un photocoupleur générique et d'isolateurs numériques tels que ceux de TI, on constate que le débit de données atteint par un photocoupleur générique est clairement plus faible qu'avec les isolateurs numériques. De plus, il est à noter que les résistances de rappel vers le haut indiquées pour le photocoupleur consomment nettement plus de courant que les isolateurs numériques, rendant le composant inadapté à de nombreuses applications.

Les photocoupleurs haute vitesse garantissent de meilleures caractéristiques de commutation que leurs pendants génériques. Le tableau ci-dessus compare un photocoupleur haute vitesse classique aux isolateurs numériques de TI. Les débits de données synchrone et asynchrone sont estimés à partir des spécifications de synchronisation fournies dans les fiches techniques des composants. Comme on le voit, le débit de données pris en charge par les isolateurs numériques reste bien supérieur à celui des photocoupleurs haute vitesse.

DURÉE DE VIE

L'essai de rupture diélectrique en fonction du temps (TDDB, time dependent dielectric breakdown) est un essai de contrainte accéléré normalisé qui vise à déterminer la durée de vie d'un diélectrique en fonction de la tension. Il consiste à appliquer différentes tensions de contrainte au niveau de la barrière d'isolation d'un dispositif, bien plus élevées que sa plage de tension de service classique, et à mesurer le temps nécessaire pour provoquer une rupture du diélectrique. Ces informations de durée de vie en fonction de la tension sont ensuite représentées sous la forme d'un graphique, et les coordonnées pour des tensions inférieures sont extrapolées afin de déterminer la durée de vie attendue du diélectrique pour la tension de service appropriée.

TAILLE DE LA SOLUTION

La durée de vie moyenne avant la rupture diélectrique d'un photocoupleur est environ 100 fois plus basse que celle d'un isolateur numérique. Cet écart tient principalement à la grande différence de rigidité diélectrique entre les matériaux isolants utilisés par ces deux technologies. On constate également que la durée de vie d'un photocoupleur pour une tension de contrainte donnée varie considérablement d'un spécimen à l'autre, tandis que cette valeur est constante pour les isolateurs numériques.

Le principe du photocoupleur consiste à convertir un signal électrique en lumière, puis de nouveau en signal électrique afin de garantir une isolation. Le choix du diélectrique est donc limité à des isolants transparents, tels que l'air ou l'époxy. Or, la rigidité diélectrique de l'un et de l'autre étant très faible, ils occupent une place considérable dans un modèle monocanal, limitant ainsi le nombre maximal de canaux pouvant être intégrés à un photo-coupleur donné.

De plus, les isolateurs numériques ont recours au SiO, un matériau qui affiche 2 une rigidité diélectrique nettement supérieure et un encombrement plus faible, pour réaliser un canal d'isolation. Il est ainsi possible d'intégrer plusieurs canaux dans un boîtier de petite taille. Les photo-coupleurs classiques à un seul canal sont généralement proposés dans un boîtier de 3,7 x 4,55 mm, tandis que l'ISO7762 peut rassembler six canaux hautes performances dans un petit boîtier SSOP de 4 x 5 mm.

La figure  3 compare l'encombrement de photocoupleurs à huit canaux ou à quatre canaux doubles avec deux composants ISO6741, soit trois solutions différentes d'isolation à huit canaux. Un isolateur numérique ISO7762 à six  canaux, placé à côté sur la photographie, permet de se représenter la plus grande densité de canaux possible dans un boîtier SOIC-16 large.

VIEILLISSEMENT ET FIABILITÉ

Le rendement lumineux réel des Led se dégrade au fil du temps – c'est un phénomène bien connu. Cette dégradation affecte de nombreux paramètres des photocoupleurs, dont la plupart ne sont généralement pas mentionnés dans la fiche technique. On peut citer notamment le rapport de transfert de courant (RTC). À un certain stade de la durée de vie des photocoupleurs, le RTC se réduit tellement que le dispositif ne peut plus fonctionner normalement et devient peu fiable (taux de défaillance élevé et durée moyenne entre les pannes restreinte). Les isolateurs numériques et les circuits de commande, quant à eux, sont particulièrement bien conçus, de manière à limiter la variation des performances due au vieillissement. Ledit vieillissement fait d'ailleurs partie, d'emblée, des spécifications minimales/ maximales indiquées dans la fiche technique des dispositifs. De plus, le processus de fabrication très maîtrisé des isolateurs numériques assure une très bonne fiabilité (taux de défaillance faible et durée moyenne entre les pannes élevée).

IMMUNITÉ AUX TRANSITOIRES EN MODE COMMUN

Sur de nombreuses applications (par exemple, les onduleurs solaires), de très hautes tensions doivent être commutées à des fins de conversion ou de régulation, ce qui génère beaucoup de bruit de commutation de mode commun. Sur d'autres (par exemple, les commandes moteur), les fortes charges inductives produisent un bruit d'oscillation important. Ces bruits de mode commun au niveau de l'isolateur peuvent avoir des répercussions sur le circuit interne du composant et perturber son fonctionnement.

Pour éviter que les circuits internes ne soient affectés, il est possible de mettre en place une configuration différentielle affichant une bonne réjection du bruit de mode commun. Sur les photocoupleurs, en revanche, la structure à canal unique et l'absence de circuit de réjection du bruit de mode commun rendent le dispositif vulné-rable à ces bruits externes.

Même avec une cage de Faraday interne, un photocoupleur haute vitesse classique ne peut afficher qu'une immunité transitoire en mode commun (CMTI) minimale de ± 20 kV/µs. Par comparaison, l'ISO6741, avec sa configuration en canaux à isolation différentielle et son récepteur à réjection du bruit de mode commun très élevée, assure une CMTI minimale de ± 50 kV/µs.

COURANT ET TENSION D'ENTRÉE

Tous les photocoupleurs sont alimentés en courant, et nécessitent un courant de polarisation stable supérieur à 2 mA afin de fonctionner. Nombre d'entre eux peuvent même nécessiter un courant de plus de 10 mA en entrée pour satisfaire aux exigences de performances minimales des applications. Il est donc moins facile de les relier directement à une sortie TTL ou Cmos, et un circuit tampon peut être nécessaire.

De plus, les photocoupleurs ne sont pas adaptés à une utilisation avec des circuits numériques basse tension (< 3,3 V), car une légère variation de la tension d'entrée peut modifier considérablement leurs performances. Les isolateurs numériques tels que l'ISO6741, quant à eux, offrent des entrées Cmos à impédance élevée, alimentées en tension. Ces entrées Cmos consomment un courant stable maximal de ± 10 µA, et peuvent donc être directement reliées à toute sortie TTL ou Cmos, sans circuit tampon. Il est ainsi possible de les connecter à la plupart des autres composants numériques (processeurs, CAN, etc.).

Les isolateurs numériques peuvent également fonctionner avec une large palette d'alimentations de puissance et de niveaux de tension logique, et à basse tension (1,8 V). De faibles variations de la tension d'alimentation ou de la tension logique n'affectent pas les niveaux de tension logique en sortie. Enfin, leur capacité en entrée (environ 1,3 pF pour l'ISO6741) est nettement plus faible que celle d'un photocoupleur (environ 60 pF pour un photocoupleur haute vitesse classique), ce qui rend la commutation nettement plus simple et rapide. •