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十五年积累,数字隔离器向光耦发起新一轮挑战

关键词:数字隔离器 隔离技术

时间:2022-05-19 16:37:19      来源:网络

目前数字隔离技术目前主要分两类,分别为电容隔离或电磁隔离。两者的原理都和光耦比较类似,只不过是将光变成了射频信号,利用电容或调制电磁进行调制,然后传输到接收端进行解调,中间部分用二氧化硅或其他材质进行隔离。

数字隔离器,顾名思义,就是利用数字技术实现信号与电源的隔离,从而保证人身及系统安全,确保高低压系统可以正常通信,并且不受浪涌电压及噪声的影响。

目前,随着电动汽车的发展,汽车电池母线电压不断提高,这就给电池、电机等高压侧以及芯片的低压侧之间的通信、采集、控制、功率传输等带来了挑战。需要更高耐压、更低功耗、更高传输率的隔离技术。除此之外,工业自动化领域也正在利用更多自控技术,通过网络将电子控制系统与工业的执行系统相连,这时就需要隔离技术以分隔高压高电流的执行系统和低压低电流的控制系统。

常见的隔离技术

在数字隔离器诞生之前,业界最早采用传统继电器作为隔离,之后光耦出现,并在长达50年的时间内,一直是隔离的基础。

近年来,随着半导体技术的进步,以及客户要求的提升,数字隔离器才开始显露头角。

目前数字隔离技术目前主要分两类,分别为电容隔离或电磁隔离。两者的原理都和光耦比较类似,只不过是将光变成了射频信号,利用电容或调制电磁进行调制,然后传输到接收端进行解调,中间部分用二氧化硅或其他材质进行隔离。

由于无需LED进行调制,因此数字隔离器供应商(诸如TI、Silicon Labs(现隔离器业务已被Skyworks并购)等),一直在宣传数字隔离技术可以实现长寿命,高可靠性,高一致性以及高性能等优势。

以TI的数字隔离技术为例,其ISO7842数字隔离器,根据老化测试结果显示,在2121 V最大重复峰值电压及1500V工作电压情况下,实现40年运行寿命。具体可靠性测试请参考(https://www.ti.com/lit/wp/slyy063/slyy063.pdf)

实际上这些数字隔离器厂商一直瞄准的,就是替代如今的光耦市场。根据 Markets and Markets 的数据,2020 年全球数字隔离类芯片的出货量为7.01亿颗,而光耦的年出货量则以数十上百亿计算,因此这对于数字隔离器厂商而言是颇具诱惑的。

当然,传统的光耦厂商也不会坐以待毙,如博通,即便其拥有广泛的隔离产品组合,但一直以来都在宣传光耦在安规方面的重要之处,并且仍在不断推出新品。

光耦目前对数字隔离器的主要优势就是在价格方面,但随着半导体规模效应的逐渐显现,数字隔离器的价格正在不断走低。同时,数字隔离器还可以通过多通道、高集成等方式,实现更高的性价比。此外,终端市场的需求暴涨,数字隔离器简单灵活的特性,也使其可以不断受到市场关注。

实际上除了几家传统信号链大厂之外,最近涌现出包括纳芯微、川土、荣湃等一批国内公司,也正是部分借了市场对于数字隔离的需求激增的东风。

隔离市场的打法

由于隔离技术涵盖着信号链的方方面面,因此最适合采用广撒网的方式,开发不同的产品组合。这一市场最典型的代表就是TI。

如图所示,2006年TI开发出了业界首款SIO2电容隔离器,此后,凭借其在隔离、信号链、电源上的技术组合,以及在工业和汽车市场的积累,不断推出应用于各场景,各系统的隔离产品组合。值得注意的是,TI是少数几家同时拥有集成电容和变压器技术的公司,既可以利用电容器传输隔离的信号与能量,同时也有集成变压器,利用电磁传递信号与能量,这使得TI可以针对不同传输速率,不同功率或隔离等级,推出不同种类的隔离器。

德州仪器 (TI) 电源开关、接口和照明部门副总裁兼总经理Troy Coleman特别强调,TI的数字隔离产品都符合VDDE0884-11和IEC60747-17要求,“我们从未收到任何客户在隔离方面产生的故障。”

同时,Coleman也解释了关于IEC60747-17数字隔离器安全标准与IEC60747-5-5光耦安全标准的异同(这也是光耦厂商一直所宣传的差异化)。Coleman表示,虽然IEC60747-17是最近发布的标准,但它是基于VDE0884-11和VDE0884-10标准(已经制定超过15年)的延续。IEC60747-17和VDE0881-11之间没有很大的差异。并且与IEC60747-5-5光耦合器标准相比,IEC60747-17具有更高的质量要求,例如时间相关介质击穿(TDDB)和浪涌、工作电压的安全裕度要求。IEC60747-5-5光耦合器标准不包括任何这些要求。“我们还对光耦与TI隔离技术进行了内部测试,并观察到TI的技术在时间相关介质击穿测试中具有优越的寿命和可靠性。”

除了长达15年的实际应用以及相应的安全认证,TI也进行了数百万小时的可靠性测试,从而全方位证明了数字隔离技术的可靠。同时,TI也投资开发了基于300mm晶圆的隔离技术,从而提供更高产能及更低成本,以满足不断增长的隔离市场需求。

根据TI官网,隔离器件已经是一个单独的分类,成为了信号链中的重要部分。具体而言,涵盖了驱动的隔离、电源的隔离、信号链处理的隔离、接口的隔离、数字信号的隔离等等,基本上较为全面的覆盖了所有需要隔离的场景。通过不同的高集成度隔离器产品组合,实现了更高的可靠性、更低的系统成本和占板面积,并简化了用户隔离开发门槛,从而成为数字隔离市场的领导厂商之一。

Coleman表示,数字隔离技术最大的挑战是将尽可能多的功能集成到单个封装中(电源、信号、栅极驱动、场效应管等),与此同时,还必须保证高电压的爬电距离和隔离等级。TI通过可靠的测试方法,以及在硅与封装领域的创新解决方案解决上述问题。

日前,TI宣布了一系列的隔离产品更新,并且已经明确这些产品是固态隔离器以及光耦的替代。真的能替代了吗?我们可以看一下TI最近推出的新品。

数字隔离器可解决继电器的可靠性痛点

机电继电器由于其在尺寸、功耗、可靠性、性能等诸多方面存在不足,因此在工业和汽车应用中,固态继电器取代传统机电继电器已经持续了一段时间了。比如过去的汽车打转向灯时所发出的“塔塔”声音,是机电继电器发出的,而如今早已采用固态继电器并用喇叭模拟发出这种提示音。

目前固态继电器还是主要以光耦隔离为主。但TI的固态继电器可通过更高集成度,实现在一个芯片上穿过单一隔离栅传输功率和信号,可在设计中至少取消三个组件,与竞争解决方案相比,解决方案尺寸至多可减少90%,成本最多可减少 50%。与传统机电继电器相比,TPSI3050-Q1 的工作寿命可增加 10 倍,提供的增强型隔离高达 5 kVRMS。TPSI2140-Q1则有助于更快地检测高压电池管理系统的故障并提升安全性,与光继电器相比具有更高的可靠性,更宽的温度范围以及更低的功耗。

TPSI3050-Q1的简化图如上,TPSI3050-Q1 是一款完全集成的隔离式开关驱动器,与外部电源开关结合使用时,可构成完整的隔离式固态继电器 (SSR)。次级侧可为驱动多种电源开关提供 10V 的浮动稳压电源轨,无需次级偏置电源。其应用可以为直流应用驱动单个电源开关,或为交流应用驱动两个背靠背电源开关,以及各种类型的 SCR。

此外,TPSI3050由于是数字隔离技术,因此也支持两个TPSI3050的共源共栅配置,以提高栅极驱动电压并驱动更大的器件。

TPSI3050支持两线制和三线制两种模式。

TPSI2140-Q1则是集成了4个背靠背高压MOSFET,增强了产品可靠性,并进一步节省成本和空间。其热雪崩保护(TAP)功能允许其支持高达5 mA的雪崩电流。

TPSI2140-Q1主要用于在电池管理和能源管理应用中可靠地连接和断开测量通道,例如隔离检查、电池组电压监测、直流环节电压监测、接触器监测和端口电压监测。

TPSI2140-Q1的一个典型应用,就是绝缘电阻监测,相比于传统利用多个继电器开关,TPSI2140-Q1无需额外的保护电阻和继电器,同时相比光耦方案,其检测速度更快,如上图所示。

隔离与信号链的结合

数字隔离技术的主要优势除了更高可靠性之外,还可以实现更高的集成度,数字增强型隔离比较器AMC23C12就是一个很好的例子。该器件是一款具有可调阈值和锁存功能的快速响应增强型隔离式窗口比较器,产品框图如下:

AMC23C12通过集成一个宽输入范围低压降稳压器、一个窗口比较器和一个精密电压基准,将解决方案尺寸缩小50%,并降低系统成本。

AMC23C12非常适合故障检测应用。故障检测需要通过电流、电压和温度测量来诊断系统内的任何交流电力线波动、机械或电气过载。随着大功率工业系统(如电机驱动器和光伏逆变器)以及汽车系统(包括电动汽车充电器、牵引逆变器、车载充电器和直流/直流转换器)的设计越来越复杂,同时也越来越多采用速度更快的开关晶体管(如SiC和GaN),需要系统弹性和可靠性不断提升,因此需要准确和快速的故障检测方案。 

AMC23C12具有高集成度、高精度、快速响应时间以及简单设计等特点,可实现隔离式双向过流、过压和过热检测,有助于快速检测各种故障事件,帮助设计人员开发具有更高容错能力的高压系统。

如图所示,在典型的电机系统中,可以应用到多颗隔离比较器,以确保准确发现系统的任何问题。

隔离与电源的结合

TI在2020年,推出了集成专有的集成变压器和直流直流控制器的隔离电源模块,缩小了隔离式电源尺寸,使其可纳入 IC 尺寸的封装中,实现了高密度隔离式直流/直流电源转换,同时可保持低EMI、较高的转换效率以及高可靠性。

UCC14240-Q1是TI于2021年推出的集成变压器的隔离电源模块,具有1.5W输出水平,可为IGBT或SiC栅极驱动器供电。通过更小巧,重量更轻以及更高可靠性的隔离电源模块,促使电动汽车及工业领域的电机和电源管理架构从集中式向分布式变迁,从而为整个系统带来更高的可靠性。

同时,为了更好地使客户选用UCC14240-Q1,TI还推出了全新参考设计:具有集成变压器的汽车类 SPI 可编程栅极驱动器和偏置电源(PMP22817)。该参考设计除了UCC14240-Q1之外,还包括采用双随机展频技术的 2.2MHz 宽输入电压非同步升压、反激式和 SEPIC 控制器LM5156H-Q1,以及适用于 IGBT/SiC MOSFET 的汽车类 3.75kVrms 30A 单通道功能安全隔离式栅极驱动器UCC5870-Q1。

此参考设计为牵引逆变器和车载充电器中的电源开关提供隔离式偏置电源和隔离式栅极驱动器。偏置电源和驱动器均可提供 800VDC 总线应用所需的高隔离(3kVRMS 持续 1 分钟)。

高级保护可提供便利的功能安全认证。经过测试的设计为牵引逆变器中的大功率碳化硅开关提供隔离式偏置和隔离式驱动。

确保系统运行的高可靠

无论是电动汽车、个人电子产品还是太阳能等常见的应用系统,TI均能提供业内超高的工作电压和可靠性,并延长系统寿命和扩展保护范围,从而赋能其发展。

作为高压系统应用而言,可靠性是一切的基础。也正因此,TI一直以来,都将隔离技术作为其电源发展的五大方向之一。

TI广泛的电源和信号隔离产品组合,可确保现代化工业和汽车在高功率下安全可靠运行。TI电容隔离器使用SiO2介质,从而提供业界最高的使用寿命,并有效克服温度与湿度的影响。TI的集成变压器技术可传输高密度的隔离直流/直流电源转换,并同时降低EMI。

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