以典型案例詳解數(shù)字隔離技術(shù)在電源中的應(yīng)用

時間：2023-01-04 19:40:40

關(guān)鍵字：隔離電源系統(tǒng)

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[導(dǎo)讀]有高低壓模塊的系統(tǒng)，高低壓模塊之間的通信，通常都要用到隔離技術(shù)。隔離最主要的需求來自安規(guī)需求，即防范人體以及低壓設(shè)備承受高壓或者浪涌的沖擊；其次是性能的需求，隔離能夠消除地環(huán)路，同時能夠隔離噪聲，提高整個系統(tǒng)的容錯性。

有高低壓模塊的系統(tǒng)，高低壓模塊之間的通信，通常都要用到隔離技術(shù)。隔離最主要的需求來自安規(guī)需求，即防范人體以及低壓設(shè)備承受高壓或者浪涌的沖擊；其次是性能的需求，隔離能夠消除地環(huán)路，同時能夠隔離噪聲，提高整個系統(tǒng)的容錯性。

傳統(tǒng)隔離方法采用光耦來實現(xiàn)，據(jù)估算現(xiàn)在光耦隔離市場容量約為一年一百億個通道，光耦隔離已經(jīng)是非常成熟的方案，但光耦在應(yīng)用上有很多限制，比如工作溫度范圍窄、外圍電路復(fù)雜、體積大，以及寄生參數(shù)大和時序一致性差等缺點。

相對于光耦來說，數(shù)字隔離在可靠度、功耗、尺寸和集成度上都有非常明顯的優(yōu)勢，因此一經(jīng)推出就受到市場歡迎，近年來增長勢頭迅猛，搶占了不少原屬于光耦隔離的市場，現(xiàn)在年市場出貨量已經(jīng)達到數(shù)十億個通道，還在快速成長中。

電源產(chǎn)品的主要功能就是在不同電壓標(biāo)準(zhǔn)之間進行變換，其高低壓模塊一般需要進行隔離處理，因此在電源產(chǎn)品中可以看到大量的隔離技術(shù)應(yīng)用。很多工程師開始接觸數(shù)字隔離時可能對具體應(yīng)用方法并不清楚，納芯微技術(shù)支持團隊針對電源應(yīng)用中的常見場景，例如快充適配器、GaN驅(qū)動、車載充電、二次電源和板內(nèi)通信隔離等，進行了詳細分析，對此感興趣的，可以參考如下的文字解讀，以及文末的視頻教學(xué)。

NSI812xD在塑封模塊電源GaN驅(qū)動中的應(yīng)用

開關(guān)電源產(chǎn)品為了減小體積、提升功率密度，會采用提高開關(guān)頻率來減小磁性器件的體積，但是開關(guān)頻率提高以后又會導(dǎo)致開關(guān)損耗的增加，MOS管的開關(guān)應(yīng)力和EMI都會惡化，此時一般就會采用氮化鎵來替代碳化硅。氮化鎵器件沒有體二極管，所以就沒有反向恢復(fù)損耗，它的開關(guān)瞬態(tài)應(yīng)力和EMI都會減小，同時，氮化鎵器件的柵極和輸出電容小，在高頻工作場景下的開關(guān)損耗也會比傳統(tǒng)的碳化硅要低，所以在高頻應(yīng)用中，一般會選擇氮化鎵做功率器件。

對驅(qū)動電路而言，傳統(tǒng)分立電路因為寄生參數(shù)影響，驅(qū)動上升沿等振蕩需要串聯(lián)驅(qū)動電阻來抑制，但是驅(qū)動電阻的增加又會導(dǎo)致驅(qū)動延時增加，以及開關(guān)損耗增加；在高頻工作場景下，這些影響會進一步放大。所以，氮化鎵的制造廠家會選擇把MOS管和驅(qū)動封裝在一起，這樣寄生參數(shù)可以大大減小，不需要驅(qū)動電阻也可以獲得很好的驅(qū)動穩(wěn)定性，同時又提高了MOS管基級的ESD耐壓能力。

在高頻氮化鎵電源應(yīng)用中，對數(shù)字隔離器的要求也會不同，比如要求傳輸?shù)乃俾矢欤材Ｋ矐B(tài)抑制能力強，同時體積又要足夠小。納芯微DFN封裝的數(shù)字隔離器NSi812xD可以滿足高頻氮化鎵應(yīng)用的所有要求，其應(yīng)用在PFC電源上，可以實現(xiàn)四分之一端輸出功率超過1.5千瓦，開關(guān)頻率1.6MHz。

市場上常見的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器封裝一般是SOIC8或者SOIC16，采用DFN封裝的NSI812xD最主要的特點就是體積小。該芯片專門針對 I 類環(huán)境的電壓產(chǎn)品，比如電壓低于60V，或者是在密閉環(huán)境帶塑封的模塊，這類應(yīng)用對隔離電壓與爬電距離的要求相對較低，使用NSi812xD可以大大減小布板面積，同時 I 類產(chǎn)品的其他性能需求也都能用NSi812xD滿足要求。

小米10配置的65瓦快充適配器設(shè)計優(yōu)化

下圖是小米10的65瓦快充適配器的典型電路，DC部分的主拓撲是ACF（ActiveClamp Flyback，有源鉗位反激），主MOS管是兩顆帶驅(qū)動能力的氮化鎵器件，主控芯片放在原邊，給主MOS提供驅(qū)動，由于上面的鉗位MOS管浮地，所以使用了一顆半橋驅(qū)動來傳遞驅(qū)動信號，看起來有一點多余，但也是必要的。優(yōu)化設(shè)計時，可使用一顆單通道DFN封裝的NSi812xD來解決鉗位MOS管的浮地問題，主MOS管本身可以直接驅(qū)動，因為主MOS管帶驅(qū)動能力，這樣可以大大減小體積和成本；反饋部分也可以使用納芯微NSi3192，這顆芯片能提供很好的隔離線性反饋功能，可以大大減小體積、布板面積，以及提升線性反饋能力。

二次電源應(yīng)用案例

二次電源產(chǎn)品輸入一般是48V（母線），最高輸入電壓不超過60V，這類產(chǎn)品由于電壓低，所以隔離等級與爬電距離的要求相對較低。
納芯微DFN數(shù)字隔離器適用此類應(yīng)用，這類產(chǎn)品的主控芯片一般放在副邊，可以使用數(shù)字隔離器來傳遞驅(qū)動信號，納芯微后續(xù)還將推出隔離驅(qū)動產(chǎn)品，直接把驅(qū)動和數(shù)字隔離集成在一個封裝里面，進一步減小驅(qū)動電路的體積。
還有一些二次電源的應(yīng)用，需要從輔助電源里取一部分電壓給后級三次電源供電，由于輔助電源此時也參與了后面的送電，在類似遠程掉電等控制功能上，就需要主控芯片控制輔助電源實現(xiàn)關(guān)斷，此時兩顆芯片之間需要隔離的通信交換，所以可以用標(biāo)準(zhǔn)的雙向隔離芯片。

AC/DC電源應(yīng)用案例之PSU

典型AC/DC電路通常采用PFC（功率因數(shù)校正）加LLC的拓撲形式，一般會有兩顆主控芯片，原邊一顆，副邊一顆。
原邊主控芯片主要負責(zé)PFC的控制，副邊主控芯片主要負責(zé)LLC部分，以及對外部的信息交互。這里用到的隔離器件就包括LLC的隔離驅(qū)動NSi6602（當(dāng)然也可以用非隔離驅(qū)動加標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器的解決方案）；第二個用到隔離器件的地方是兩顆主控芯片之間的信息交互，我們用標(biāo)準(zhǔn)隔離器NSi8241來傳遞信號；第三個是對外的接口隔離，比如CAN隔離，485總線隔離，此時可用標(biāo)準(zhǔn)隔離芯片NSi8121,也可以用集成收發(fā)功能的隔離芯片來實現(xiàn)通信的隔離。
再看安規(guī)絕緣的實現(xiàn)，對于AC/DC電路，一般原邊或副邊各個網(wǎng)絡(luò)對地的絕緣要求是基礎(chǔ)絕緣，基礎(chǔ)絕緣的爬電距離一般是2到4毫米，對于基礎(chǔ)絕緣部分電路，一般選用SOIC8封裝的隔離芯片；對于跨原副邊的電路，要求加強絕緣，爬電距離一般要求6.4毫米以上，在這里一般選擇寬體的SOIC16封裝的隔離芯片，例如NSi6602。

AC/DC電源應(yīng)用案例之OBC

OBC（On Board Charger,車載充電）是另一種典型的AC/DC電路，其主功率拓撲與前面的電路大同小異，但控制上有區(qū)別，并沒有在原副邊各放一個主控芯片，而只在原邊放了一顆芯片，來管理主功率的整體拓撲電路，所以副邊的信號采樣與驅(qū)動，都需要通過隔離芯片來實現(xiàn)。副邊的MCU主要負責(zé)板上其他電路的管理，以及對外的交互。
納芯微的隔離產(chǎn)品覆蓋很全面，包括隔離驅(qū)動NSi6602，隔離采樣NSi13XX，以及通信用的標(biāo)準(zhǔn)隔離器NSi8221，和前面提到的隔離接口的芯片。
隔離采樣芯片NSi13XX系列需要重點關(guān)注，因為電動汽車需要非常準(zhǔn)確的電流測量來提高傳動效率，所以使用集成隔離與采樣功能的芯片，可以應(yīng)對汽車產(chǎn)品惡劣的使用環(huán)境，提高電流采樣的可靠性。因為隔離與采樣功能集成在一起，也能縮小體積，減少PCB占用面積，功耗也相對較低。

板內(nèi)通信隔離應(yīng)用

板內(nèi)通信隔離應(yīng)用有兩種典型的隔離應(yīng)用場景。
一種是ACF模塊中ACF芯片與主控芯片之間的通信，在遠程掉電功能中，主控芯片需要通過高低電平控制ACF芯片下電。另外，ACF自身功能實現(xiàn)，也需要用到隔離器件，例如防倒灌保護功能，需要用ACF控制芯片中發(fā)一個信號，來關(guān)閉副邊的同步整流管。
另一個典型應(yīng)用為AC/DC中PFC主控MCU與LLC主控MCU之間的通信，非及時信號用異步TX/RX來傳送，及時信號要用專門信號去傳遞，例如AFCOK信號與PFCOK信號，需要讓雙方知曉，PFC電路與LLC電路何時已正常工作，在這些應(yīng)用中，都可以采用數(shù)字隔離措施。
對于這種高低電平信號的傳輸，有的工程師可能會認為用光耦更劃算，光耦在單顆元件成本上確實具備優(yōu)勢，但綜合考慮整體方案成本及性能，數(shù)字隔離方案在一些場景中仍是優(yōu)選方案。具體來看，光耦最大的缺點是對溫度的依耐性非常高，溫度變化引發(fā)的光耦性能變化會導(dǎo)致電路性能下降，因此在高溫工作環(huán)境與對體積要求高的應(yīng)用場合，數(shù)字隔離器是更好的光耦替代方案。

用NSi3190實現(xiàn)母線電壓采樣

在隔離電源母線電壓采樣應(yīng)用中，可以采用納芯微最新推出的誤差放大器NSi3190。
對于AC電源，一般原邊有DSP或MCU，所以輸入電壓采樣可以直接通過電阻分壓來得到；在隔離DC電源中，有時候會把電源控制芯片放在副邊，這種配置下對原邊電壓采樣，可以用隔離運放NSi1311來實現(xiàn)。
有沒有更低成本的方案？用納芯微最新推出的隔離誤差放大器NSi3190，這里只舉一個非典型應(yīng)用場景，如圖所示，先將NSi3190接成跟隨器模式，這樣就可以把母線電壓很方便地傳遞到副邊，利用母線電壓采樣數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)輸入欠壓保護、輸入電壓前饋，以及輸入電壓上報。