納芯微容隔技術(shù)，從容應(yīng)對(duì)電源難題

電器產(chǎn)品都會(huì)用到電源，常見(jiàn)的電源包括調(diào)壓電源、開(kāi)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(yáng)長(zhǎng)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(gè)老生常談的問(wèn)題，目的是避免電源的高壓電對(duì)人體產(chǎn)生危害。新能源汽車就是常見(jiàn)的高壓電源場(chǎng)景，電池電壓是400V或新出現(xiàn)的800V，如此高的電壓會(huì)對(duì)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(kāi)來(lái)，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(chǔ)能裝置，這些常見(jiàn)的高壓電源場(chǎng)景除了要避免高壓對(duì)人體的危害，還要滿足相應(yīng)的安規(guī)要求。

另外，對(duì)于一些不共地的系統(tǒng)，如半橋拓?fù)涞纳瞎茯?qū)動(dòng)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(lái)源與低壓側(cè)隔離開(kāi)，以減少控制器端的干擾。

02 隔離的要求和分類

隔離有嚴(yán)格的安規(guī)認(rèn)證，常見(jiàn)的是美國(guó)的UL認(rèn)證、德國(guó)VDE認(rèn)證以及電工協(xié)會(huì)的IEC認(rèn)證等。安規(guī)認(rèn)證包括兩類，一類是系統(tǒng)級(jí)，如IEC60065、IEC60950等；另一類是器件級(jí)，如UL1577以及IEC60747標(biāo)準(zhǔn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)從安全角度定義了三個(gè)等級(jí)能量源，都是以電壓電流大小作為分級(jí)依據(jù)，實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)措施。值得一提的是，納芯微的所有隔離產(chǎn)品都通過(guò)了UL、CUL以及VDE、CQC安規(guī)認(rèn)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(jī)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(jí)拓?fù)?。整個(gè)系統(tǒng)拓?fù)浔容^復(fù)雜，往往會(huì)采用兩顆MCU做主控，兩個(gè)MCU之間的通信便需要進(jìn)行隔離。此外，這些拓?fù)渲械墓β使埽还苁荢i MOSFET還是第三代半導(dǎo)體器件，都需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，也需要進(jìn)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(duì)外通信也需要隔離。

03 常見(jiàn)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(zhǎng)。它以光為介質(zhì)將輸入信號(hào)耦合到輸出端，但是體積較大，傳輸速度較慢，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)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(biāo)包括：隔離耐壓等級(jí)、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(jí)高達(dá)10kV，CMTI至少100kV/μs；抗浪涌超過(guò)10kV，雙邊ESD超過(guò)15kV。

04 電源系統(tǒng)的趨勢(shì)和應(yīng)用難點(diǎn)

1. 電源系統(tǒng)的趨勢(shì)

●  高集成化：電源系統(tǒng)正往更高集成度的趨勢(shì)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(jì)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(lái)越廣泛，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高，速度越來(lái)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(guò)嚴(yán)格的安規(guī)認(rèn)證。

2. 電源系統(tǒng)的應(yīng)用難點(diǎn)

電源系統(tǒng)的應(yīng)用難點(diǎn)在于，第三代功率器件對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓更高，要求驅(qū)動(dòng)器輸出電壓范圍擺幅更寬。此外，產(chǎn)品開(kāi)關(guān)速率要更快，并降低開(kāi)關(guān)損耗，驅(qū)動(dòng)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(shí)間更短，傳輸延時(shí)更小。

碳化硅驅(qū)動(dòng)芯片的新功能是“米勒鉗位”，隨著SiC的開(kāi)關(guān)，橋臂中點(diǎn)有很大dv/dt，下管Cgd電容會(huì)產(chǎn)生一個(gè)米勒電流，即使下管處于關(guān)斷狀態(tài)，也會(huì)通過(guò)下管關(guān)斷電阻產(chǎn)生一個(gè)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(huì)造成下管誤導(dǎo)通，系統(tǒng)就會(huì)有短路風(fēng)險(xiǎn)。

“米勒鉗位”功能可以應(yīng)對(duì)碳化硅應(yīng)用中的這個(gè)問(wèn)題。在芯片中增加一個(gè)MOSFET可以直接將GND和碳化硅柵極相連，當(dāng)下管關(guān)斷后，會(huì)跳過(guò)下管驅(qū)動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。

 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(dòng)、隔離電壓/電流采樣、隔離CAN收發(fā)器。驅(qū)動(dòng)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(yùn)放，也有數(shù)字輸出隔離ADC，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)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?yàn)榭蛻舻碾娫丛O(shè)計(jì)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(dāng)前集成化、高壓化、可靠性的電源應(yīng)用趨勢(shì)，滿足第三代功率器件對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)、隔離電壓/電流采樣、隔離CAN收發(fā)器，能夠?yàn)楣こ處熖峁┒鄻踊倪x擇。