光絶縁とデジタルアイソレータ：信号の絶縁伝達

なぜ「信号」を絶縁して渡すのか

絶縁型コンバータ（/power/isolated-converter-transformer/ 参照）では、電力はトランスの磁束で一次と二次を結びます。しかし問題が一つ残ります。出力電圧を安定させるには、二次側で測った出力電圧の誤差を 一次側のスイッチ制御 へ戻す必要がある——つまり信号も絶縁バリアを越えなければなりません。ここで導線でつないでしまうと、せっかくの絶縁（/power/isolation-creepage-clearance/ 参照）が台無しになります。

そこで信号だけを電気的に切り離したまま渡す素子が要ります。古典はフォトカプラ（光絶縁）、現代の主流がデジタルアイソレータです。両者は「何で絶縁し、何で信号を運ぶか」が根本的に異なります。

フォトカプラ：光で渡す古典と、その三つの弱点

フォトカプラは入力側のLEDと出力側のフォトトランジスタを向かい合わせ、間を絶縁樹脂で満たした素子です。入力電流でLEDを光らせ、その光をフォトトランジスタが受けて出力電流に変える。電気的接点は無く、光だけがバリアを越えます。原理は単純で安価ですが、アナログ的に光を媒介するがゆえの弱点が三つあります。

1. CTR（電流伝達比）と、その劣化

最重要パラメータが CTR（Current Transfer Ratio、電流伝達比） です。これは出力コレクタ電流を入力LED電流で割った比で、いわば「光を介した電流増幅率」です。

CTR の定義:
  CTR = Ic（出力コレクタ電流） / If（入力LED電流） × 100 [%]

  例: If = 10mA で Ic = 5mA なら CTR = 50%

CTR を決める要素（すべてばらつく/劣化する）:
  LED の発光効率 × 光路の透過率 × フォトトランジスタの感度

問題はCTRが固定値ではないことです。第一に 製造ばらつき が大きく、同一品番でもCTRが50%〜600%と一桁開く製品すらあります。第二に 温度依存 があり、LED効率は温度で下がります。そして最大の問題が 経年劣化 です。LEDは通電時間と電流に応じて発光効率が落ちていき、CTRは数年スケールで初期値の半分以下まで下がりうる。つまり「設計時に動いても、5年後に伝達不足で誤動作する」リスクを抱えます。

2. 帯域と伝搬遅延

フォトトランジスタはベース・コレクタ間に大きな寄生容量を持ち、これが受光電流で充放電されるため応答が鈍くなります。結果として帯域は数十kHz〜数百kHz程度に留まり、伝搬遅延（propagation delay）も数μsオーダーで大きく、しかも温度や負荷で変動 します。立ち上がりと立ち下がりの遅延が非対称（デューティ歪み）になりやすいのも弱点で、高速なデジタル信号やデッドタイムの厳しいゲート信号の伝達には向きません。

3. CMTIの弱さ

一次と二次の間に急峻な電圧変化（dV/dt）が乗ると、フォトカプラ内部の寄生容量を通して変位電流が流れ、出力を誤って反転させることがあります。この同相過渡に耐える能力が CMTI（Common-Mode Transient Immunity、同相過渡耐性） で、kV/μs で表します。フォトカプラのCMTIは構造上それほど高くできず、スイッチング電源のように一次二次間に高いdV/dtが日常的に発生する環境では誤動作の温床になります。

デジタルアイソレータ：変調して、界で渡す

デジタルアイソレータは発想を変えます。光ではなく 電磁界 で信号を運び、運ぶ前に信号を高周波へ 変調 します。直流をそのまま結合素子に通しても伝わらないため、まず一次側で信号を変調し、絶縁バリアの向こうで復調して元の論理レベルを再構成する——この一連を半導体チップ内で行います。

デジタルアイソレータの信号経路:

  入力(論理)→[変調器]→[絶縁バリア:容量 or 磁気]→[復調器]→出力(論理)

  典型的な変調:
    OOK（On-Off Keying）: 入力 High のとき高周波キャリアを出す、
                          Low のとき止める。バリア越しに有無を検出
    エッジ/パルス符号化: 立上り/立下りを短パルス対で送り、
                          二次側でラッチして波形を再構成

変調が要る理由は、絶縁バリアとなるコンデンサや小型トランスが 高周波しか通さない高域通過特性 を持つからです。低周波・直流を高周波キャリアに載せ替えることで、初めてバリアを通せます。結合の物理には二系統あります。

CMTIが置き換えの決め手になる

デジタルアイソレータがフォトカプラを置き換える最大の理由は、速度と劣化耐性に加えて CMTIの高さ です。容量結合・磁気結合とも信号を高周波キャリアに載せて差動で扱うため、一次二次間に乗る同相のdV/dtノイズを「信号ではない」と弁別しやすく、100kV/μsを超えるCMTIも実現できます。

なぜ CMTI が効くか（絶縁フィードバックの現場）:

  SMPS の一次二次間には、スイッチング毎に
  数十〜百 V のステップが ns オーダーで生じる
  → dV/dt は容易に数十 kV/μs に達する

  この dV/dt がバリア容量 Cb を通して変位電流 i = Cb × dV/dt を流す
  CMTI が低いと、この変位電流を「信号エッジ」と誤認し出力が誤反転

  デジタルアイソレータ: 差動＋高周波弁別で誤反転しきい値を引き上げる
  → 高 CMTI = ノイジーな絶縁境界でも誤動作しない

絶縁フィードバックの設計

絶縁型電源の電圧フィードバック（/power/pwm-feedback-control/ 参照）では、二次側の出力電圧誤差を一次側のコントローラへ戻します。古典的な構成は、シャント基準（TL431など）で二次出力電圧と基準の差を取り、その誤差電流でフォトカプラのLEDを駆動し、一次側のフォトトランジスタ電流をコントローラのフィードバック端子へ流す、というものです。

フォトカプラ式 絶縁フィードバックの流れ:

  二次 Vout →[分圧]→ TL431（基準と比較）→ 誤差電流
       → フォトカプラ LED を駆動（誤差が大きいほど強く光る）
       --絶縁バリア（光）--
  一次 フォトトランジスタ電流 → コントローラ FB 端子 → デューティ比 D を調整

  注意: CTR がループ利得に直接効く
       → CTR が劣化するとループ利得が変わり、
         位相余裕・応答が設計時からずれる

ここでフォトカプラのCTRは ループ利得の一部 に組み込まれます。CTRが経年で半減すれば伝達利得が落ち、位相余裕や過渡応答が設計値からずれていきます。これがアナログ絶縁フィードバックの隠れた弱点です。デジタルアイソレータ（や、二次側で誤差をデジタル化してアイソレータで送る構成）に置き換えると、伝達利得が劣化せず、帯域も広いため高速な負荷応答を素直に設計できます。一方でアイソレータは電源を一次二次両側に要する（フォトカプラはLED側に電源不要）ため、起動シーケンスや待機消費の設計が変わる点には注意が要ります。スイッチングノイズの放射経路は /power/emi-conducted-radiated/ も併せて確認してください。

まとめ

• フォトカプラはLEDの光で絶縁バリアを越えるが、CTR（電流伝達比）が製造ばらつき・温度・経年で大きく変動 する。寿命末期の最小CTRで成立させるワーストケース設計が必須。
• 帯域が狭く伝搬遅延が大きくばらつき、CMTIも低い。高速ゲート駆動やノイジーな絶縁境界には本来不向き。
• デジタルアイソレータは信号を高周波変調し、容量結合（オンチップコンデンサ）か磁気結合（マイクロトランス）でバリアを通す。半導体プロセス製で劣化が無く、高速・低遅延。
• 置き換えの決め手はCMTI（同相過渡耐性、kV/μs）。SMPSの一次二次間に乗る急峻なdV/dtを「信号でない」と弁別でき、ゲート絶縁の誤動作を防ぐ。
• 絶縁フィードバックではCTRがループ利得に直接効くため、劣化で位相余裕がずれる。アイソレータ化で劣化を排し帯域を広げられるが、一次二次両側の電源が必要になる。
• 絶縁の前提は /power/isolated-converter-transformer/ と /power/isolation-creepage-clearance/、フィードバック制御は /power/pwm-feedback-control/、ノイズ経路は /power/emi-conducted-radiated/ を参照。