絶縁素子の選択肢豊富に、特性や使い勝手が向上：電子部品 絶縁素子（2/4 ページ）

[薩川格広，EE Times Japan]

既存素子の課題こそが商機

　新型素子が相次いで登場した2つ目の理由は、フォトカプラが原理的な課題を抱えていたことである。これを新たな方式によって解決すれば、フォトカプラの置き換えを狙ったり、新たな用途を開拓したりできる可能性がある。

　フォトカプラの原理的な課題とは、大きく分けて3つあり、いずれも光結合を利用することに起因する。具体的には、経年劣化（寿命）が存在すること、消費電力が比較的大きいこと、絶縁した端子間で伝送できる信号の速度が比較的低いことである。

　経年劣化が存在するのは、発光素子であるLEDの発光効率が発光時間の経過とともに低下してしまうからだ（図4）。この結果、LEDの順方向電流と受光素子（フォトトランジスタなど）の出力電流の比（電流伝達比：CTR）が低下する。従って、受光素子の出力電流を同等に維持するには、LEDに流す順方向電流を高めなければならない。ただし、パルス信号の受け渡しに向けてデジタル出力形式を採用したフォトカプラでは通常、LEDの駆動電流をフォトカプラの内部回路で調整しており、ユーザーが外部からCTRの低下を補償することは不可能である。このためCTRの低下が進行すると、やがて信号を伝送できなくなり、「10年程度で機能的な寿命を迎えてしまう」（新型素子を供給する複数のベンダー）。

図4　フォトカプラ内蔵LEDの推定寿命　フォトカプラに内蔵する、GaAs材料を使ったLEDの推定寿命を、順方向電流（IF）ごとに示した。故障判定基準は、光出力の低下幅（ΔPo）が初期値の50％を下回ることとした。単一ロットを基に推定した参考データである。出典：東芝（クリックで画像を拡大）

　消費電力が大きいのは、LEDの駆動に比較的大きな電流が必要になるからだ。伝送速度の上限は、LEDの点灯/消灯速度によって決まり、現時点では市場に存在する最速品でも、2次側に受け渡せる信号の伝送速度は最大50Mビット/秒（NRZ（Non Return to Zero）形式のとき）にとどまる。

　しかもこれら3つの課題は、互いにトレードオフの関係にある。例えば、順方向電流を高めればLEDの応答特性が高まり伝送速度が向上すると期待できるが、消費電力が高くなる上に、経年劣化を加速させてしまう。

結合方式を一新

　近年になって登場した新型の絶縁素子はいずれも、前述の通り、絶縁した端子間を光結合とは異なる方式で結合させている（図5）。いずれもフォトカプラに比べて消費電力が低く、伝送速度が高いことに加えて、経年劣化による機能的な寿命を実用上なくすことができたと主張する。さらに、採用する結合方式の違いによって、それぞれ異なった特徴も打ち出している。

図5　新型素子の結合方式　新型素子の結合方式を模式図と写真で示した。（a）は、磁気結合方式を採る米Analog Devices社の「iCoupler」。（b）は、磁気結合方式を採る米NVE社の「IsoLoop」。（c）は、容量結合方式を使う米Texas Instruments社の「デジタル・アイソレータ」。なお写真の縮尺はそれぞれ異なる。出典：各社の資料を基に本誌が作成（クリックで画像を拡大）

　新型素子それぞれが採用する結合方式について説明しよう。

　まずAnalog Devices社のiCouplerは、絶縁体を挟んで対向させた2個の微小コイルを利用して、磁気結合方式によって信号を伝送する。2個の微小コイルは、Si（シリコン）チップの表面に半導体プロセス技術で作り込んである。送信側（1次側）コイルに信号を印加することで生じる磁界の変化を、受信側（2次側）コイルで検出することで信号を受け渡す。

　次はNVE社のIsoLoopとAvago Technologies社のデジタル・アイソレータである。これらも磁気結合方式を採るという点では、Analog Devices社のiCouplerと同じだ。ただし、2次側にはコイルではなく、GMR（巨大磁気抵抗）素子で構成した抵抗ブリッジ回路（GMRセンサー）を配置した。実際には半導体プロセス技術を使って、シリコン・チップ上にGMRセンサーを形成し、その上に絶縁体を挟んでコイルを作り込む。1次側コイルに信号を印加することで磁界に変化が生じると、2次側のGMRセンサーの抵抗値が変化するため、その変化を検出することで信号を受け渡す仕組みだ。

　最後は、容量結合方式を使うTexas Instruments社のデジタル・アイソレータである。平行平板型コンデンサの上部電極と下部電極を、それぞれ1次側と2次側に接続する。コンデンサは、シリコン・チップの表面に半導体プロセス技術で下部電極と絶縁体、上部電極を順番に形成することで集積した。すなわち、MIM（Metal-Insulator-Metal）構造のコンデンサである。1次側の電極に印加する信号の変化を、これを介して、電界の変化として2次側に受け渡す。

アナログ信号には対応せず

　ただし磁気結合方式と容量結合方式を採る新型の絶縁素子は、電気的に絶縁した端子間でデジタル信号（論理レベルの高/低）を受け渡す用途に特化している。このためフォトカプラとは異なり、1次側に入力したアナログ信号を2次側にそのまま受け渡すことはできない^＊2）。これが新型素子を各社がデジタル・アイソレータと呼ぶゆえんである。

^＊2）アナログ信号出力は、スイッチング電源において出力電圧（負荷供給電圧）の誤差信号をフィードバックする用途などに使われる。なおフォトカプラにも、受光素子と信号処理回路を1枚のシリコン・チップに集積したフォトICを2次側に使うことで、出力信号をデジタル化した品種が用意されている。オープン・ドレイン形式やCMOS形式のデジタル出力に対応する。

　新型素子がアナログ信号に対応していない理由は、その中心的な用途がMビット/秒オーダーの比較的高速なデータ伝送であることに加えて、磁気結合方式と容量結合方式に起因した制約があるからだ。その制約とは、1次側のコイルやコンデンサに直流信号を印加しても2次側ではそれを検出できないことである。そもそもコイルとコイルの間もしくはコイルとGMRセンサーの間、コンデンサの電極間を、直流的に絶縁しているのだから当然である。

　そこで、絶縁素子に入力された信号に符号化を施すなどの工夫によって、デジタル信号の論理が高レベルあるいは低レベルに固定された状態が続くなど、直流的な信号が入力されている場合でも、2次側に受け渡せる機構を組み込んでいる。この機構が、デジタル信号の入出力にしか対応していないのだ。

　例えば、磁気結合方式を採るAnalog Devices社のiCouplerでは、パッケージ内で1次側端子に接続した送信チップにおいて、入力されたデジタル信号を微小な時間間隔でサンプリングすることで立ち上がり/立ち下がりエッジを検出し、立ち上がりエッジ検出時は1nsと短いパルス信号を1個、立ち下がりエッジ検出時は2個を連続して1次側コイルに印加する（図6）。2次側コイルはこれらのパルス信号による磁界の変化を検出し、2次側端子に接続した受信チップにパルス信号が送られる。すると受信チップがパルス数を数えて、1個なら高レベル、2個なら低レベルに出力端子の論理レベルを遷移させる仕組みだ。

図6　入力信号を符号化して伝送　磁気結合方式を採る「iCoupler」のデータ伝送手法である。入力されたデジタル信号をサンプリングして、論理レベルが変化するエッジを検出し、パルス数に変換してからコイルに印加する。こうして、長時間にわたって論理が変化しない直流的な状態にも対応した。出典：米Analog Devices社（クリックで画像を拡大）

　容量結合方式を採るTexas Instruments社のデジタル・アイソレータでは、1次側端子に接続した送信チップにおいて、デジタル信号の周波数が直流から比較的低い領域においてはPWM（パルス幅変調）信号に符号化してからコンデンサに印加し、周波数が高ければそのままコンデンサに印加する仕組みを用意して、周波数に応じて自動的に切り替えるようにした。