納芯微容隔技術(shù)，從容應(yīng)對電源難題

電器產(chǎn)品都會用到電源，常見的電源包括調(diào)壓電源、開關(guān)電源、逆變電源、變頻電源、不間斷電源等。大部分電源都需要有隔離器件，以保證設(shè)備和人身安全。因采用的隔離技術(shù)不同，隔離效果也不一樣。因此，選擇隔離產(chǎn)品應(yīng)該揚長避短，盡可能將系統(tǒng)性能做到最佳。

01 電源為什么需要隔離

這是一個老生常談的問題，目的是避免電源的高壓電對人體產(chǎn)生危害。新能源汽車就是常見的高壓電源場景，電池電壓是400V或新出現(xiàn)的800V，如此高的電壓會對人體產(chǎn)生危害；充電樁亦是如此，它將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電，也需要將高低壓隔離開來，這就需要用到隔離器件。

又如，光伏或數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器電源、工業(yè)變頻伺服應(yīng)用以及一些工業(yè)電源模塊或儲能裝置，這些常見的高壓電源場景除了要避免高壓對人體的危害，還要滿足相應(yīng)的安規(guī)要求。

另外，對于一些不共地的系統(tǒng)，如半橋拓撲的上管驅(qū)動也需要隔離；此外，雖然一些系統(tǒng)本身并不需要隔離，但為了提升性能，需要將高壓側(cè)的高噪聲來源與低壓側(cè)隔離開，以減少控制器端的干擾。

02 隔離的要求和分類

隔離有嚴格的安規(guī)認證，常見的是美國的UL認證、德國VDE認證以及電工協(xié)會的IEC認證等。安規(guī)認證包括兩類，一類是系統(tǒng)級，如IEC60065、IEC60950等；另一類是器件級，如UL1577以及IEC60747標準。IEC標準從安全角度定義了三個等級能量源，都是以電壓電流大小作為分級依據(jù)，實施相應(yīng)的保護措施。值得一提的是，納芯微的所有隔離產(chǎn)品都通過了UL、CUL以及VDE、CQC安規(guī)認證。

電源系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的是隔離芯片，例如，在車載充電機OBC/DC-DC系統(tǒng)中，高壓電池充電輸入側(cè)是220V到380V，輸出側(cè)為400V或800V；低壓電池充電是12V到48V，其中包括PFC和LLC兩級拓撲。整個系統(tǒng)拓撲比較復(fù)雜，往往會采用兩顆MCU做主控，兩個MCU之間的通信便需要進行隔離。此外，這些拓撲中的功率管，不管是Si MOSFET還是第三代半導(dǎo)體器件，都需要相應(yīng)的驅(qū)動，也需要進行隔離。

另外，根據(jù)系統(tǒng)的控制精度要求，電壓采樣、電流采樣以及系統(tǒng)的對外通信也需要隔離。

03 常見的幾種隔離技術(shù)及要求

目前，行業(yè)采用的隔離技術(shù)有三種：傳統(tǒng)光耦、磁耦和容耦技術(shù)。傳統(tǒng)光耦技術(shù)應(yīng)用最廣泛、歷史最長。它以光為介質(zhì)將輸入信號耦合到輸出端，但是體積較大，傳輸速度較慢，隨著使用時間的增長會出現(xiàn)光衰，且工作溫度范圍較窄。磁耦和容耦是目前比較主流的隔離技術(shù)。磁耦耐壓高、傳輸速度快、溫度范圍寬，但工藝復(fù)雜，有EMI輻射；容耦耐壓高，傳輸速度快，傳輸延遲僅為二三十納秒，工作溫度范圍非常寬，工藝并不復(fù)雜，具有很高的可靠性。

納芯微的隔離芯片便是基于容耦技術(shù)，采用Adaptive OOK?自適應(yīng)編碼技術(shù)，EMI輻射低，誤碼率低，還能有效提高隔離器件抗共模噪聲（CMTI）的能力。

隔離產(chǎn)品的重要指標包括：隔離耐壓等級、CMTI能力、EMC性能以及傳輸延遲和工作溫度、隔離壽命等。納芯微隔離產(chǎn)品的隔離電壓等級高達10kV，CMTI至少100kV/μs；抗浪涌超過10kV，雙邊ESD超過15kV。

04 電源系統(tǒng)的趨勢和應(yīng)用難點

1. 電源系統(tǒng)的趨勢

●  高集成化：電源系統(tǒng)正往更高集成度的趨勢發(fā)展，因此也需要更高集成度的IC，例如將電源和數(shù)字隔離器集成在一起，以降低工程師設(shè)計隔離電源的復(fù)雜程度。

●  高壓化、高頻化：光伏系統(tǒng)已從800V轉(zhuǎn)到1500V，第三代半導(dǎo)體（氮化鎵或碳化硅）的應(yīng)用也越來越廣泛，系統(tǒng)開關(guān)頻率越來越高，速度越來越快。隔離產(chǎn)品需要有更高的CMTI能力，能承受更高電壓，EMI性能更好。

●  高可靠性：隔離芯片均需要通過嚴格的安規(guī)認證。

2. 電源系統(tǒng)的應(yīng)用難點

電源系統(tǒng)的應(yīng)用難點在于，第三代功率器件對驅(qū)動芯片提出了更高的要求，如CMTI大于100kV/μs水平。由于碳化硅驅(qū)動電壓更高，要求驅(qū)動器輸出電壓范圍擺幅更寬。此外，產(chǎn)品開關(guān)速率要更快，并降低開關(guān)損耗，驅(qū)動器具有輸出更大的Source或Sink電流能力，芯片內(nèi)部上升或下降時間更短，傳輸延時更小。

碳化硅驅(qū)動芯片的新功能是“米勒鉗位”，隨著SiC的開關(guān)，橋臂中點有很大dv/dt，下管Cgd電容會產(chǎn)生一個米勒電流，即使下管處于關(guān)斷狀態(tài)，也會通過下管關(guān)斷電阻產(chǎn)生一個壓降?？紤]到碳化硅器件的導(dǎo)通閾值比較低（2V左右），如果壓降較大會造成下管誤導(dǎo)通，系統(tǒng)就會有短路風險。

“米勒鉗位”功能可以應(yīng)對碳化硅應(yīng)用中的這個問題。在芯片中增加一個MOSFET可以直接將GND和碳化硅柵極相連，當下管關(guān)斷后，會跳過下管驅(qū)動電阻，直接將柵極短路到GND，以此消除米勒電流造成的壓差，從而避免米勒效應(yīng)導(dǎo)致下管誤導(dǎo)通的風險。

 納芯微的隔離類產(chǎn)品

納芯微的隔離產(chǎn)品品類非常齊全，包括數(shù)字隔離器、隔離驅(qū)動、隔離電壓/電流采樣、隔離CAN收發(fā)器。驅(qū)動方面，不管是MOS、IGBT還是碳化硅，都有相應(yīng)的隔離產(chǎn)品。采樣方面，既有模擬輸出隔離運放，也有數(shù)字輸出隔離ADC，滿足不同應(yīng)用場景對采樣率和采樣精度的要求。接口方面，隔離I2C接口、485或CAN接口產(chǎn)品都很豐富，能夠為客戶的電源設(shè)計提供一站式解決方案。

納芯微的產(chǎn)品采用容耦技術(shù)，順應(yīng)了當前集成化、高壓化、可靠性的電源應(yīng)用趨勢，滿足第三代功率器件對驅(qū)動芯片提出的更高要求。其隔離產(chǎn)品品類非常齊全，包括數(shù)字隔離器、隔離驅(qū)動、隔離電壓/電流采樣、隔離CAN收發(fā)器，能夠為工程師提供多樣化的選擇。