高壓數(shù)字控制應用中實現(xiàn)安全隔離與低功耗的解決方案

引言

在高壓應用中，實現(xiàn)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(shù)字隔離器。

光隔離器，通常被稱為光耦，是一種模擬隔離產(chǎn)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(shù)十年來在業(yè)內被廣為使用。然而，LED的開關速度將可實現(xiàn)數(shù)據(jù)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?shù)钠貌Ⅱ寗蛹墒絃ED。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(xiàn)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(xiàn)更高的速率，但這會大幅增加解決方案的成本。

另一方面，數(shù)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(xiàn)了較長的使用壽命[3]。由于與光隔離器相比，數(shù)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(shù)字隔離器之間的主要區(qū)別。

英飛凌第一代ISOFACE?數(shù)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)傳輸。

圖2：英飛凌ISOFACE?數(shù)字隔離器2DIBx4xxF使用的無芯變壓器的截面圖

不同產(chǎn)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。

該雙通道數(shù)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(shù)字隔離器的特點以及為客戶帶來的優(yōu)勢

ISOFACE?雙通道數(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(wǎng)(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(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)(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(shù)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(chǎn)生高達100 V/ns的快速dv/dt切換，因此，可能會產(chǎn)生高共模瞬變，因此需要使用一個可靠的解決方案。ISOFACE?數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)字控制應用的堅固而又可靠的選擇。當與英飛凌的XDP?數(shù)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(chǎn)品組合聯(lián)用時，便可打造一個完整的系統(tǒng)解決方案，滿足現(xiàn)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(shù)字控制應用日益增長的隔離需求。