數(shù)字隔離技術(shù)在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

汽車、卡車和摩托車中采用的混合動(dòng)力和電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，在交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)引發(fā)了新的、前所未知的挑戰(zhàn)。原來的12V電壓網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在需輔之以400V或更高的電池和電源系統(tǒng)，從而對汽車OEM和系統(tǒng)模塊供貨商提出了一系列全新要求。諸如高壓電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的逆變器，以及連接到230V/380V電網(wǎng)的車載充電器模塊等混合動(dòng)力/電動(dòng)車內(nèi)的全部功能，都提出了隔離要求。

與工業(yè)應(yīng)用相較，汽車和運(yùn)輸應(yīng)用對隔離有著不同要求。堅(jiān)實(shí)可靠當(dāng)然是必須的，而對磁“噪聲”也必須要有強(qiáng)大抵抗力。車內(nèi)的大功率水平(如工作在400V的100KW馬達(dá)，意味著250A的工作電流)會(huì)在車內(nèi)產(chǎn)生必須妥善處理的強(qiáng)磁場。所用零件的使用期限必須足夠長以滿足車輛預(yù)期壽命要求；例如必須滿足大型運(yùn)輸應(yīng)用幾十年的使用要求。用于汽車環(huán)境的產(chǎn)品，將推動(dòng)對汽車應(yīng)用質(zhì)量(Q1)的要求，以及要滿足-40至+125℃的工作溫度范圍。

同時(shí)，這些領(lǐng)域的成本壓力，將推動(dòng)對更高系統(tǒng)整合度的要求，因此，具備隔離功能的單芯片產(chǎn)品，如CAN收發(fā)器、ADC或門極驅(qū)動(dòng)器等組件就展現(xiàn)出了優(yōu)勢。

不同的數(shù)字隔離技術(shù)

原則上，有四種不同的數(shù)字隔離方法：光、電感式，電容式和射頻式。以下將介紹前三種方法。

光隔離技術(shù)使用透明絕緣隔離層進(jìn)行光傳輸來實(shí)現(xiàn)光隔離。透過驅(qū)動(dòng)LED(發(fā)光二極管)，數(shù)字信號(hào)從電轉(zhuǎn)換成光。然后通過隔離層傳輸這個(gè)光信號(hào)，再用光學(xué)檢測組件(光電二極管、光電晶體管)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。

光隔離的主要優(yōu)點(diǎn)是光對電場或磁場具有免疫力及有可能輸送靜態(tài)信號(hào)。在隔離層的接收側(cè)(flipside)，光隔離器的工作頻率(傳輸速度)受限于LED相對較慢的特性。對混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車應(yīng)用來說，光隔離有限的壽命是一個(gè)主要缺點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移，LED的效率將降低，從而需要加大信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流(通常從10mA開始)，所以，隨著時(shí)間的綿延，這種光隔離終將無法發(fā)揮功用。

電感隔離使用兩個(gè)線圈之間的磁場變化實(shí)現(xiàn)跨隔離勢壘(isolation barrier)的通訊。電感隔離法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是共模和差分傳輸間的不同，這意味著它的抗噪能力良好。這種方法的缺點(diǎn)是可能來自磁場的失真，對混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車應(yīng)用的馬達(dá)控制環(huán)境來說，這種失真很常見。

電容隔離利用穿越隔離勢壘的電場變化。電容隔離法的好處是對磁場的免疫力更強(qiáng)和長的系統(tǒng)壽命。電容隔離與電感隔離法的傳輸速度近似。

但電容隔離法的缺點(diǎn)是沒有差分信號(hào)(即：信號(hào)和噪聲共享同一信道)。另外，與電感隔離法一樣，它們都不能直接傳輸靜態(tài)信號(hào)(必須先與頻率信號(hào)進(jìn)行編碼)。

隔離產(chǎn)品

一個(gè)采用電容隔離法的例子是德州儀器的ISOxxxx系列。圖2是ISO72xx系統(tǒng)簡化架構(gòu)圖。ISOxxxx組件在單一封裝內(nèi)，整合兩個(gè)放置在分離型導(dǎo)線架上的裸晶，以及傳送和接收芯片。兩個(gè)裸晶間僅透過一條接合線連接。在接收器上實(shí)現(xiàn)的實(shí)際隔離功能，是采用基于二氧化硅(SiO2，即玻璃)的，以銅和摻雜硅為基板電極的電容(圖3)。使用SiO2可帶來高可靠性和長壽命的優(yōu)點(diǎn)。

圖：TI的ISO 72xx系列架構(gòu)圖。

圖：TI的ISO72xx系列裸片照片，右側(cè)的接收器芯片上采用了二氧化硅隔離。

兩個(gè)信道同時(shí)允許直流和交流通訊，此外，它還具有故障防范功能。

基本AC信道使用輸入信號(hào)，并在過濾后透過由隔離電容組成的差分對傳輸該信號(hào)。然后，接收芯片上的施密特觸發(fā)器的輸入端對其進(jìn)行檢測，最后經(jīng)輸出緩沖器輸出該接收到的信號(hào)。它可實(shí)現(xiàn)非常高速的傳輸、輕微脈寬失真和短傳輸延遲，但不能發(fā)送DC信號(hào)。

可用DC通道透過隔離勢壘傳送DC(或速度非常低的)信號(hào)。芯片上振蕩器將信號(hào)編碼為PWM信號(hào)，借助與AC信道類似的差分信號(hào)越過隔離勢壘進(jìn)行傳送。在接收芯片端，對信號(hào)進(jìn)行譯碼并送至輸出緩沖器。

但是，DC信道也用于故障防范功能。例如，如果發(fā)送端的電源電壓不夠高，則振蕩器將停止工作，這就意味著接收端將檢測不到數(shù)據(jù)信號(hào)，從而發(fā)出故障指示并輸出高電平。在正常工作(即有足夠的數(shù)據(jù)傳輸密度)時(shí)，輸出多任務(wù)器將忽略DC通道；但當(dāng)AC通道在約4us的時(shí)間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，DC信道將得到優(yōu)先權(quán)。一旦AC信號(hào)有一個(gè)跳變，多任務(wù)器將立即又切換回該通道。

有多種隔離組件可用以滿足不同配置(單到四)要求。它們都能在高達(dá)150Mbps的數(shù)據(jù)速率下，提供560V的連續(xù)絕緣(4kV峰值瞬態(tài))。另外，這些組件都滿足汽車級(jí)應(yīng)用要求。

可靠性考慮及外部電磁場免疫力

嚴(yán)酷的汽車和交通運(yùn)輸環(huán)境，加上車輛的長使用壽命等特點(diǎn)，要求組件具有特殊特性。平均無故障時(shí)間(MTTF)是確定半導(dǎo)體電路可靠性的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。對隔離組件來說，它同時(shí)適用于集成電路和隔離原理這兩方面。應(yīng)使用90%的可信任水平和125℃的環(huán)境溫度進(jìn)行評(píng)測，典型電容和電感組件的平均無故障時(shí)間超過2,000年，而FIT(109小時(shí)內(nèi)的故障數(shù))在60以內(nèi)。而典型光學(xué)組件的平均無故障時(shí)間只有30年，F(xiàn)IT將近4,000。

就對磁場的免疫力來說，圖4比較了感性與容性組件。感性組件和容性組件(ISO721)都具有遠(yuǎn)超IEC61000標(biāo)準(zhǔn)的高磁場免疫力。但，容性組件ISO721更勝一籌，這對惡劣的汽車環(huán)境應(yīng)用特別重要。

圖：對外部磁場的免疫力。