滿足汽車(chē)電氣隔離要求的數(shù)字隔離器

1

英飛凌AEC-Q100認(rèn)證

ISOFACE? 數(shù)字簡(jiǎn)介隔離

電流隔離提供電平轉(zhuǎn)換功能，提高電氣噪聲抗擾度，并確保高壓（HV） 汽車(chē)應(yīng)用的安全性。滿足不斷增長(zhǎng)的電氣隔離要求汽車(chē)（EV）應(yīng)用，英飛凌科技推出第一代ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，在確保精確定時(shí)的同時(shí)提供高穩(wěn)健性性能和低功耗。

1.1

隔離技術(shù)

首款數(shù)字隔離器系列采用英飛凌獲得專(zhuān)利的無(wú)磁芯變壓器（CT）技術(shù)，可隔離信號(hào)跨越不同的電壓域。它是一種磁耦合隔離技術(shù)，它使用集成由金屬螺旋組成的片上變壓器的半導(dǎo)體制造工藝由二氧化硅 (SiO2) 絕緣屏障隔開(kāi)。如圖 1 所示。片上無(wú)磁芯變壓器用于在輸入和輸出芯片之間傳輸信號(hào)。此外，還有毛刺濾波器、集成了通信調(diào)制、看門(mén)狗和欠壓鎖定(UVLO), 以確保穩(wěn)健且即使在存在高電壓和噪聲的關(guān)鍵工業(yè)環(huán)境中，也能實(shí)現(xiàn)故障安全數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 英飛凌CT的橫截面，

用于ISOFACE?  數(shù)字隔離器產(chǎn)品

1.2

產(chǎn)品特色

英飛凌的 ISOFACE? 數(shù)字隔離器 4DIRx4xxHA 符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，旨在滿足具有挑戰(zhàn)性的汽車(chē)應(yīng)用中的要求，并具有以下功能：

• 高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI），超過(guò) 100 kV/μs

• 提供高或低故障安全默認(rèn)輸出選項(xiàng)

• 2.7 至 6.5V 的寬工作電源電壓（絕對(duì)最大值為 7.5V ）

• 精確的定時(shí)性能，具有 26 ns 的典型傳播延遲和 -5/+6 ns 擴(kuò)展

• 低功耗，3.3 V 和 1 Mbps 時(shí)最大電流為 6.4 mA

• 比較漏電起痕指數(shù)（CTI）大于 600 V 和材料組 I

1.3

產(chǎn)品概述

具有不同通道配置、故障安全默認(rèn)輸出狀態(tài)和輸出使能的產(chǎn)品型號(hào)極性可用，如表 1 所示。

表1   英飛凌ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器系列的產(chǎn)品型號(hào)

合適的目標(biāo)應(yīng)用是：

• 汽車(chē)應(yīng)用中的隔離式串行外設(shè)接口（SPI）

• 混合動(dòng)力、電動(dòng)和動(dòng)力總成系統(tǒng)（EV/HEV）

• 車(chē)載充電器（OBC）

• DC-DC轉(zhuǎn)換器

• 牽引逆變器

• 變頻器和電機(jī)控制

• 電池管理系統(tǒng)（BMS）

2

ISOFACE?數(shù)字隔離器選型指南

從ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器系列中找到合適的器件并不困難，因?yàn)樗麄円呀?jīng)做到了某些共同功能，但在不同的通道配置和默認(rèn)輸出狀態(tài)下要滿足各種汽車(chē)應(yīng)用的要求。但是，有一些重要的注意事項(xiàng)在選擇合適的數(shù)字隔離器時(shí)，取決于應(yīng)用要求。

數(shù)據(jù)速率

ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器系列提供最大40 Mbps的單數(shù)據(jù)速率，即適用于開(kāi)關(guān)電源(SMPS)應(yīng)用中的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離和隔離汽車(chē)應(yīng)用中的低速/中速通信接口。表2 總結(jié)了適用于給定數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用程序。

表2 適用于最大 40 Mbps 數(shù)據(jù)速率的 

ISOFACE? 數(shù)字隔離器

隔離規(guī)范要求

隔離耐壓，以及爬電距離、電氣間隙、CTI 和污染程度，是主要用于為應(yīng)用選擇合適的數(shù)字隔離器的參數(shù)。例如，英飛凌的 ISOFACE? 4DIRx4xxH 數(shù)字隔離器具有至少 8 mm 的爬電距離和電氣間隙。超過(guò) 600 V 的 CTI 可承受 5700 VRMS 隔離電壓（VISO），符合 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)。他們是適用于需要加強(qiáng)隔離的汽車(chē)應(yīng)用。表 3 給出了隔離的概述ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器的規(guī)格。

表3   ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器的隔離規(guī)格

通道配置

確定通道配置意味著選擇通道數(shù)量及其方向。例如，一個(gè)4+0（4個(gè)正向通道）四通道數(shù)字隔離器適用于隔離式柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸（例如，低側(cè)和高側(cè)開(kāi)關(guān)）在電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如半橋或全橋。A 3+1（三正向和一個(gè)反向）四通道數(shù)字隔離器通常需要用于SPI通信。另一方面手，2+2（兩個(gè)前進(jìn)和兩個(gè)后退）可用于表4總結(jié)了ISOFACE?四通道數(shù)字通道的不同可能通道配置隔離器及其相應(yīng)的應(yīng)用。

表4   ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器的

通道配置及應(yīng)用

故障安全默認(rèn)輸出狀態(tài)

故障安全默認(rèn)輸出狀態(tài)指示數(shù)字隔離器的輸入通道未通電或輸入引腳斷開(kāi)。這是選擇合適的數(shù)字隔離器的重要標(biāo)準(zhǔn)取決于應(yīng)用。通常，當(dāng)數(shù)字隔離器用于隔離柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，例如在SMPS應(yīng)用中。數(shù)字隔離器的輸出保持不變每當(dāng)輸入端發(fā)生任何錯(cuò)誤時(shí)，安全關(guān)閉。另一方面，用于隔離通信接口，最好具有默認(rèn)的高輸出，因?yàn)榇蠖鄶?shù)通信總線被定義為高電平總線處于空閑狀態(tài)時(shí)的邏輯電平。表 5 顯示了不同的首選默認(rèn)輸出狀態(tài)應(yīng)用。

表5   ISOFACE?數(shù)字隔離器針對(duì)不同應(yīng)用的

首選默認(rèn)輸出狀態(tài)

共模瞬態(tài)抗擾度

CMTI被定義為數(shù)字隔離器承受電位差快速變化的能力。較高的CMTI值（通常以kV/μs為單位）表明采用穩(wěn)健的隔離技術(shù)和無(wú)故障即使在高開(kāi)關(guān)頻率下快速瞬變的臨界條件下也能傳輸數(shù)據(jù)。ISOFACE?汽車(chē)級(jí)四通道數(shù)字隔離器提供100 kV/μs的基準(zhǔn)最高CMTI目前市場(chǎng)上的最小值，是使用 SiC/GaN 的高功率密度設(shè)計(jì)的最佳選擇可能具有高 dv/dt（超過(guò) 100 kV/μs）和具有高共模噪聲的電機(jī)控制應(yīng)用。

圖2概述了如何從ISOFACE?汽車(chē)數(shù)字隔離器中選擇合適的器件根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)和應(yīng)用要求。

圖2   ISOFACE?汽車(chē)級(jí)四通道數(shù)字隔離器選型指南

3

PCB設(shè)計(jì)指南

3.1

PCB材料

由于英飛凌的四通道數(shù)字隔離器的最大數(shù)據(jù)速率為 40 Mbps，因此常用的 FR-4材料適用于PCB。其特點(diǎn)是吸濕性小，絕緣可靠相當(dāng)大的機(jī)械強(qiáng)度使其優(yōu)于替代品。

3.2

板層堆棧

為了在使用高達(dá) 40 Mbps 的高數(shù)據(jù)速率的數(shù)字隔離器的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)低 EMI 性能，它是強(qiáng)烈建議采用四層PCB設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用板，描述為遵循：

• 第 1 層：高速層

  該層用于高速信號(hào)走線，例如信號(hào)輸入和信號(hào)輸出。

• 第 2 層：地層

  中間放置一個(gè)接地層以提供屏蔽效果。

• 第 3 層：電源層

  該層用于數(shù)字隔離器的所有電源走線。

• 第 4 層：低速或接地層

  如果沒(méi)有可用的低速信號(hào)走線，則可以將該層設(shè)計(jì)為接地層以提供更好的效果屏蔽。

圖層堆疊如圖 3 所示：

圖3  使用數(shù)字隔離器對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行層疊

3.3

布局注意事項(xiàng)

為了在高數(shù)據(jù)速率的高壓應(yīng)用中設(shè)計(jì)ISOFACE?數(shù)字隔離器，有一些重要的布局確保安全、無(wú)故障的數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖⒁馐马?xiàng)。如圖 4 所示，以 ISOFACE? 為例4DIR1400HA，數(shù)字隔離器需要連接到高走線、電源和靜音接地。

圖4  采用ISOFACE?數(shù)字隔離器的設(shè)計(jì)布局注意事項(xiàng)

有一些規(guī)則需要遵守，總結(jié)如下：

• 將實(shí)心電源島直接放置在電源 VDD 引腳上，以減少走線，作為具有高峰值的電流流入 VDD 引腳，尤其是在高數(shù)據(jù)速率下。

• 將高頻旁路電容放置在盡可能靠近 VDD 和 GND 引腳的位置。它高度建議在高數(shù)據(jù)速率下在兩側(cè)使用兩個(gè) 100 nF 和 1 μF 旁路電容，以實(shí)現(xiàn)平滑輸出信號(hào)。

• 將實(shí)心接地島直接放置在接地引腳上，以幫助通過(guò) PCB 散熱。

• 在頂層路由高速信號(hào)，避免使用通孔來(lái)減少寄生效應(yīng)，因?yàn)榧纳?yīng)可能耦合噪聲并影響數(shù)據(jù)傳輸。

• 將低速信號(hào)路由到底層，因?yàn)樗鼈兛梢匀萑谈嗟募纳?yīng)。

4

ISOFACE?汽車(chē)數(shù)字的典型應(yīng)用隔離

ISOFACE?數(shù)字隔離器為高壓汽車(chē)應(yīng)用提供功能和安全隔離。與非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器一起，它們是SMPS的首選，具有高度的靈活性和集成度通信，尤其是與 GaN-IPS 的通信。與收發(fā)器一起或獨(dú)立使用，它們適用于隔離通信接口。

4.1

使用汽車(chē)四通道數(shù)字隔離器的應(yīng)用

ISOFACE?四通道汽車(chē)數(shù)字隔離器具有寬電源范圍、高CMTI和CTI等特點(diǎn)超過(guò) 600 VRMS，可在 SMPS 應(yīng)用和汽車(chē)應(yīng)用中的隔離式通信接口。

使用 4DIR1400HA 的 EV 中的 OBC

OBC是電動(dòng)汽車(chē)最重要的部分。它是一種 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，可提供穩(wěn)定的 HV DC 輸出，以為板載電池充電。由于高效率是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因此數(shù)字控制器被廣泛使用，因?yàn)樗鼈兲峁└`活的控制機(jī)制和通信能力。確保輸入到輸出的安全性隔離，通常使用具有增強(qiáng)型隔離的數(shù)字隔離器來(lái)傳輸PWM柵極控制通過(guò)隔離柵進(jìn)行信號(hào)和附加通信。

圖5   采用4DIR1400HA的雙向單相雙有源橋（DAB）轉(zhuǎn)換器

例如，圖5顯示了英飛凌的OBC解決方案，該解決方案采用AURIX?微控制器初級(jí)側(cè)用于控制功率因數(shù)校正 （PFC） 級(jí)和 DAB HV DC-DC 轉(zhuǎn)換器。全橋整流柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)（高側(cè)和低側(cè)）通過(guò)兩個(gè)傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)汽車(chē)數(shù)字隔離器4DIR1400HA的正向通道。另外兩個(gè)通道用于輸出控制和反饋用于保護(hù)。

隔離式CAN通信

控制器局域網(wǎng)（CAN）通信已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)應(yīng)用。它有優(yōu)點(diǎn)是物理層只需要一對(duì)電纜（兩條通信線路）即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在隔離式CAN接口中確保安全或防止噪聲干擾時(shí)具有待機(jī)模式控制等附加功能，ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器4DIR2401HA 是提供電流隔離的首選。這種可靠的隔離器提供高CMTI以及極低的脈寬失真 （PWD），這是實(shí)現(xiàn)可靠通信的關(guān)鍵特性。此外，隔離器的默認(rèn)高輸出狀態(tài)可確保通信線路（通常在邏輯中在空閑狀態(tài)下為高電平）即使在發(fā)生故障時(shí)也將保持暢通狀態(tài)，從而防止?jié)撛诘碾娫摧斎雮?cè)的電源損耗。兩個(gè)通道（一個(gè)正向和一個(gè)反向）用于CAN通信;另外兩個(gè)通道可用于GPIO目的，例如待機(jī)或模式控制。與英飛凌的汽車(chē)CAN收發(fā)器TLE9251一起，隔離式CAN接口的一個(gè)例子是如圖 6 所示。ISOFACE? 4DIR2401HA 放置在控制器和收發(fā)器之間，以提供電流隔離。

圖6  使用ISOFACE? 4DIR2401HA的隔離式CAN通信

使用 4DIR1421HA 的隔離式 SPI 通信

SPI 是微控制器和外圍 IC（如傳感器或汽車(chē)應(yīng)用中的存儲(chǔ)器件。當(dāng)系統(tǒng)之間發(fā)生通信時(shí)不同的接地，數(shù)字隔離器是隔離的首選。圖 7 顯示了典型的隔離式 SPI，使用ISOFACE? 3+1 數(shù)字隔離器 4DIR1421HA。通過(guò)主側(cè)的負(fù)使能引腳 /EN1，它可以直接連接到主設(shè)備的 /CS 引腳。這減少了對(duì)逆變器的需求。

圖7 使用4DIR1421HA的隔離式SPI通信

汽車(chē)數(shù)字隔離器，結(jié)合英飛凌全面的AURIX?微控制器產(chǎn)品組合，汽車(chē)EiceDRIVER?門(mén)驅(qū)動(dòng)器 IC 和電源開(kāi)關(guān)，如 OptiMOS?、CoolMOS?、CoolSiC? 和 CoolGaN?，它們創(chuàng)造了一個(gè)完整的滿足現(xiàn)代汽車(chē)電力電子領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的隔離要求的系統(tǒng)解決方案應(yīng)用。

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