高壓數字控制應用中實現安全隔離與低功耗的解決方案
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引言
在高壓應用中，實現有效的電氣隔離至關重要，它可以避免多余的漏電流在系統(tǒng)中具有不同地電位（GPD）的兩個部分之間流動[1]。如圖1（左）所示，從輸入到輸出的DC返回電流可能導致兩個接地之間產生電位差，從而導致信號完整性降低、質量下降。這就是隔離器（即隔離式柵極驅動器IC[2]或數字隔離器）的用武之地，如圖1（右）所示。隔離器通過阻止電路兩部分之間的DC和不受控的AC電流流動，僅允許通信信號和功率通過隔離屏障。此外，隔離器還為人與高壓系統(tǒng)的交互提供了必要的保護，并提供了電平轉換功能，使不同電壓級別的系統(tǒng)之間可以互動。
圖1 系統(tǒng)兩部分之間的DC返回電流會產生多余的接地回路（左）,而電氣隔離會通過斷開接地連接,來防止多余的接地回路（右）
通常而言，隔離器大致可分為兩類：光隔離器和數字隔離器。
光隔離器，通常被稱為光耦，是一種模擬隔離產品，它利用光通過隔離屏障來傳輸信號。光隔離器因其問世早、價格具有競爭力，數十年來在業(yè)內被廣為使用。然而，LED的開關速度將可實現數據速率限制在了每秒幾兆位。此外，光隔離器還需要使用額外的板載電路元件，來提供適當的偏置并驅動集成式LED。這要占用額外的PCB面積，并增加了應用的物料成本（BOM）。盡管現在的技術可以將外部偏置和驅動電路集成在一個封裝中，來最大限度地縮小PCB的尺寸、實現更高的速率，但這會大幅增加解決方案的成本。
另一方面，數字隔離器使用電容或電磁隔離技術，來傳輸信號。這些技術大幅縮小了隔離元件的尺寸，同時實現了較長的使用壽命[3]。由于與光隔離器相比，數字隔離器具有如下優(yōu)勢，因此，近期已成為諸多應用的首選：
? 優(yōu)化系統(tǒng)BOM物料成本，縮小PCB面積
? 準確的時序特性，更低的功耗
? 增強的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）
? 可靠的絕緣壽命，獲得了元件級標準IEC 60747-17的認證
? 集成更多功能，例如：輸入濾波器、收發(fā)器（例如：CAN, RS-485）、輸出使能選項
表1總結了光隔離器和數字隔離器之間的主要區(qū)別。
表1 光隔離器和數字隔離器的主要區(qū)別
英飛凌第一代ISOFACE?數字隔離器2DIBx4xxF
為了滿足工業(yè)應用日益增長的隔離需求，英飛凌發(fā)布了其第一代雙通道數字隔離器，兼具高堅固性、精確的延時性能與低功耗。
這款新產品采用了英飛凌的無芯變壓器（CT）技術專利。這項創(chuàng)新技術利用半導體制造工藝，集成了一個片上變壓器，該變壓器包含金屬線圈，由二氧化硅絕緣屏障進行隔離（如圖2所示）。這種方法可以通過耦合變壓器傳輸信號。
此外，該產品還集成了抖動濾波器、通信調制、看門狗和欠壓鎖定（UVLO）等功能，哪怕在存在嚴重的高壓和嘈雜的工業(yè)環(huán)境中，也能確保穩(wěn)健、安全的數據傳輸。
圖2 英飛凌ISOFACE?數字隔離器2DIBx4xxF使用的無芯變壓器的截面圖
不同產品型號具有不同的通道配置、失效安全默認輸出狀態(tài)，以及可變或固定的輸入閾值，詳見表2。
表2 ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIBx4xxF系列的各個型號
該雙通道數字隔離器系列通過了器件級UL-1577和IEC 60747-17（VDE 0884-17）標準認證，并且還具有系統(tǒng)認證，例如：針對電信和服務器應用的IEC 62368-1。其爬電距離和空間距離為4mm，非常適用于需要基本隔離的應用，例如：低壓DC-DC塊、高邊浮動驅動器，以及隔離式UART/CAN通信。
表3總結了英飛凌ISOFACE?雙通道數字隔離器的特點以及為客戶帶來的優(yōu)勢：
表3 ISOFACE?雙通道數字隔離器的功能與優(yōu)勢
ISOFACE?雙通道數字隔離器的應用示例
隔離式低壓DC-DC塊
低壓DC-DC電源模塊廣泛應用于電信和服務器 開關模式電源（SMPS） ，旨在實現穩(wěn)定的12-VDC輸出[4]。為了滿足對更高功率密度、更強安全性，以及通信能力的日益增長的需求，800W以上的隔離式DC-DC模塊主要采用全橋到全橋（FB-FB）拓撲結構，由位于主電源變壓器次級側的數字控制器控制。為確保輸入到輸出的安全隔離，通常使用具有基本絕緣功能的數字隔離器，來傳輸PWM柵極控制信號。
以圖3為例，圖中顯示了英飛凌的隔離式1kW DC-DC模塊解決方案，它利用次級側XDP? XDPP1100數字功率控制器，來控制初級側全橋拓撲結構。PWM信號通過ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIB0410F進行傳輸。
電源轉換器的兩側均使用電平轉換EiceDRIVER? 2EDL802x柵極驅動器IC。數字隔離器的兩個通道傳輸互補的PWM信號，用于對全橋對角線上不同橋臂的兩個OptiMOS?功率MOSFET進行控制。不僅如此，ISOFACE? 2DIB0410F還提供一個固定的TTL輸入閾值，不受SMPS 應用VDD電源線上的噪聲影響。默認的低輸出狀態(tài)可確保當數字隔離器的輸入側供電低于欠壓鎖定電壓（UVLO）時，安全關斷所有MOSFET。
圖3 使用ISOFACE? 2DIB0410F的隔離式低壓DC-DC模塊
隔離CAN和UART通信
控制器局域網（CAN）和通用異步收發(fā)器（UART）通信被廣泛應用于工業(yè)和汽車應用。其共同優(yōu)勢在于，物理層只需一對連接線（兩條通信線）即可進行數據通信。
當需要確保隔離CAN或UART接口的安全性或防止噪聲干擾時，ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIB1401F便脫穎而出，成為電氣隔離的理想選擇。
這款可靠的隔離器可提供高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）和極低的脈寬失真（PWD），而這些都是實現可靠通信所需的關鍵特性。此外，隔離器默認的高輸出狀態(tài)，即便在發(fā)生故障時，也可確保通信線路（在空閑狀態(tài)通常處于邏輯高電平）暢通無阻，從而防止輸入側出現潛在的電源損失。
圖4顯示了隔離式CAN接口的一個示例（與英飛凌的CAN收發(fā)器TLE9251一起使用）。ISOFACE? 2DIB1401F位于控制器和收發(fā)器之間，用于提供電氣隔離。
圖4 使用ISOFACE? 2DIB1411F的隔離式控制器局域網（CAN）通信
GaN IPS半橋的功能隔離
最近，650 V 氮化鎵（GaN）HEMT在SMPS設計中的重要性與日俱增，這要得益于它可以以更高的開關頻率工作，同時顯著降低能耗。此外，將氮化鎵開關與集成柵極驅動器整合到一個封裝中的GaN集成功率級（IPS） ，在打造具有更高功率密度、更少元器件以及最小寄生效應的設計方面，正在成為越來越受歡迎的選項。
為確保高邊GaN IPS正常運行，由于柵極驅動器參考開關中點，必須使用數字隔離器來為柵極驅動器執(zhí)行電平轉換功能。由于GaN HEMT能夠產生高達100 V/ns的快速dv/dt切換，因此，可能會產生高共模瞬變，因此需要使用一個可靠的解決方案。ISOFACE?數字隔離器就適用于這種情況，它可以提供最小100 V/ns的CMTI，并確保PWM信號的可靠傳輸。
圖5展示了使用ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIB1410F用于高邊浮動驅動的示例。它使用了一個正向數據通道，來傳輸柵極信號，同時使用反向通道將故障反饋信號傳送至控制器。
為低邊GaN IPS選擇另一個ISOFACE? 2DIB1410F同樣可取。為了平衡高邊和低邊信號路徑之間的傳播延遲，以及為GaN IPS（功率地）和控制器（數字地）的不同接地提供隔離，我們強烈推薦這一方式。
圖5 ISOFACE? 2DIB1410F提供的GaN IPS半橋功能隔離
結論
總而言之，英飛凌先進的ISOFACE?數字隔離器集低電流消耗、改進的共模瞬態(tài)抗擾度和高傳播延遲精度為一體，是高壓數字控制應用的堅固而又可靠的選擇。當與英飛凌的XDP?數字控制器、EiceDRIVER?柵極驅動器IC以及功率開關（例如：OptiMOS?、CoolMOS?、CoolSiC?和CoolGaN?）產品組合聯用時，便可打造一個完整的系統(tǒng)解決方案，滿足現代電力電子應用日益增長的隔離需求。
利用這些前沿技術，英飛凌的客戶將能從較高的電源安全性、更好的系統(tǒng)性能以及更高的可靠性中獲益，并滿足高壓數字控制應用日益增長的隔離需求。
參考文獻
[1] D. Varajao, C. Menditti Matrisciano, “Isolated gate driving solutions – Increasing power density and robustness with isolated gate driver ICs,” Infineon Technologies AG, Application Note v1.1, AN_1909_PL52_1010_201256, June 2022
[2] C. Menditti Matrisciano, T. Beer, D. Varajao, Infineon Technologies AG, “Using the EiceDRIVER? 2EDi product family of dual-channel functional and reinforced isolated MOSFET gate drivers,” Infineon Technologies AG, AN_1805_PL52_1806_095202, 2019
[3] W. Frank, H. Rettinger, “New International Standard for Magnetic and Capacitive Couplers,” Bodo’s Power Systems, November 2020, p. 40-43
[4] D. Varajao, C. Menditti Matrisciano, “Dual-channel isolated EiceDRIVER? 2EDF7275K in telecom bricks – Application example in a 600 W quarter-brick 48 V to 12 V full-bridge to full-bridge rectifier evaluation board,” Infineon Technologies AG, AN_2002_PL52_2003_165036, 2020
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