【導讀】在高壓應用中，實(shí)現有效的電氣隔離至關(guān)重要，它可以避免多余的漏電流在系統中具有不同地電位（GPD）的兩個(gè)部分之間流動(dòng)[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(gè)接地之間產(chǎn)生電位差，從而導致信號完整性降低、質(zhì)量下降。這就是隔離器（即隔離式柵極驅動(dòng)器IC[2]或數字隔離器）的用武之地，如圖1（右）所示。隔離器通過(guò)阻止電路兩部分之間的DC和不受控的AC電流流動(dòng)，僅允許通信信號和功率通過(guò)隔離屏障。此外，隔離器還為人與高壓系統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之間可以互動(dòng)。
圖1：系統兩部分之間的DC返回電流會(huì )產(chǎn)生多余的接地回路（左），而電氣隔離會(huì )通過(guò)斷開(kāi)接地連接，來(lái)防止多余的接地回路（右）。
通常而言，隔離器大致可分為兩類(lèi)：光隔離器和數字隔離器。
光隔離器，通常被稱(chēng)為光耦，是一種模擬隔離產(chǎn)品，它利用光通過(guò)隔離屏障來(lái)傳輸信號。光隔離器因其問(wèn)世早、價(jià)格具有競爭力，數十年來(lái)在業(yè)內被廣為使用。然而，LED的開(kāi)關(guān)速度將可實(shí)現數據速率限制在了每秒幾兆比特。此外，光隔離器還需要使用額外的電路元件，來(lái)提供適當的偏置并驅動(dòng)集成式LED。這要占用額外的PCB面積，并增加了應用的成本（BOM）。盡管現在的技術(shù)可以將外部偏置和驅動(dòng)電路集成在一個(gè)封裝中，來(lái)最大限度地縮小PCB的尺寸、實(shí)現更高的速率，但這會(huì )大幅增加方案的成本。
另一方面，數字隔離器使用電容或電磁隔離技術(shù)，來(lái)傳輸信號。這些技術(shù)大幅縮小了隔離元件的尺寸，同時(shí)實(shí)現了較長(cháng)的使用壽命[3]。與光隔離器相比，數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BOM物料成本，縮小PCB面積
● 準確的時(shí)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字隔離器之間的主要區別。
表1：光隔離器和數字隔離器的主要區別
英飛凌第一代ISOFACE?數字隔離器2DIBx4xxF
為了滿(mǎn)足工業(yè)應用日益增長(cháng)的隔離需求，英飛凌發(fā)布了其第一代雙通道數字隔離器，兼具高堅固性、精確的延時(shí)性能與低功耗。
這款新產(chǎn)品采用了英飛凌的無(wú)芯變壓器（CT）技術(shù)專(zhuān)利。這項創(chuàng )新技術(shù)利用半導體制造工藝，集成了一個(gè)嵌入式變壓器，該變壓器包含金屬線(xiàn)圈，由二氧化硅絕緣屏障進(jìn)行隔離（如圖2所示）。這種方法可以通過(guò)耦合變壓器傳輸信號。
此外，該產(chǎn)品還集成了抖動(dòng)濾波器、通信調制、看門(mén)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，也能確保穩健、安全的數據傳輸。
圖2：英飛凌ISOFACE?數字隔離器2DIBx4xxF使用的無(wú)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(jiàn)表2。
表2：ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIBx4xxF系列的各個(gè)型號
該雙通道數字隔離器系列通過(guò)了器件級UL-1577和IEC 60747-17（VDE 0884-17）標準認證，并且還具有系統級認證，例如：針對電信和服務(wù)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(dòng)驅動(dòng)器，以及隔離式UART/CAN通信。
表3總結了英飛凌ISOFACE?雙通道數字隔離器的特點(diǎn)以及為客戶(hù)帶來(lái)的優(yōu)勢：
表3 ISOFACE?雙通道數字隔離器的功能與優(yōu)勢
ISOFACE?雙通道數字隔離器的應用示例
隔離式低壓DC-DC模塊
低壓DC-DC電源模塊廣泛應用于電信和服務(wù)器 開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS） ，旨在實(shí)現穩定的12-VDC輸出[4]。為了滿(mǎn)足對更高功率密度、更強安全性，以及通信能力的日益增長(cháng)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字隔離器，來(lái)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數字功率控制器，來(lái)控制初級側全橋拓撲結構。PWM信號通過(guò)ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIB0410F進(jìn)行傳輸。
電源轉換器的兩側均使用電平轉換EiceDRIVER? 2EDL802x柵極驅動(dòng)器IC。數字隔離器的兩個(gè)通道傳輸互補的PWM信號，用于對全橋對角線(xiàn)上不同橋臂的兩個(gè)OptiMOS?功率MOSFET進(jìn)行控制。不僅如此，ISOFACE? 2DIB0410F還提供一個(gè)固定的TTL輸入閾值，不受SMPS 應用VDD電源線(xiàn)上的噪聲影響。默認的低輸出狀態(tài)可確保當數字隔離器的輸入側供電低于欠壓鎖定電壓（UVLO）時(shí)，安全關(guān)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(chē)應用。其共同優(yōu)勢在于，物理層只需一對連接線(xiàn)（兩條通信線(xiàn)）即可進(jìn)行數據通信。
當需要確保隔離CAN或UART接口的安全性或防止噪聲干擾時(shí)，ISOFACE?雙通道數字隔離器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(shí)現可靠通信所需的關(guān)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(shí)，也可確保通信線(xiàn)路（在空閑狀態(tài)通常處于邏輯高電平）暢通無(wú)阻，從而防止輸入側出現潛在的電源損失。
圖4顯示了隔離式CAN接口的一個(gè)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(kāi)關(guān)頻率工作，同時(shí)顯著(zhù)降低能耗。此外，將氮化鎵開(kāi)關(guān)與集成柵極驅動(dòng)器整合到一個(gè)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(lái)越受歡迎的選項。
為確保高邊GaN IPS正常運行，由于柵極驅動(dòng)器參考開(kāi)關(guān)中點(diǎn)，必須使用數字隔離器來(lái)為柵極驅動(dòng)器執行電平轉換功能。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(huì )產(chǎn)生高共模瞬變，因此需要使用一個(gè)可靠的解決方案。ISOFACE?數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?雙通道數字隔離器2DIB1410F用于高邊浮動(dòng)驅動(dòng)的示例。它使用了一個(gè)正向數據通道，來(lái)傳輸柵極信號，同時(shí)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(gè)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(jìn)的ISOFACE?數字隔離器集低電流消耗、改進(jìn)的共模瞬態(tài)抗擾度和高傳播延遲精度為一體，是高壓數字控制應用的堅固而又可靠的選擇。當與英飛凌的XDP?數字控制器、EiceDRIVER?柵極驅動(dòng)器IC以及功率開(kāi)關(guān)（例如：OptiMOS?、CoolMOS?、CoolSiC?和CoolGaN?）產(chǎn)品組合聯(lián)用時(shí)，便可打造一個(gè)完整的系統解決方案，滿(mǎn)足現代電力電子應用日益增長(cháng)的隔離需求。
利用這些前沿技術(shù)，英飛凌的客戶(hù)將能從較高的電源安全性、更好的系統性能以及更高的可靠性中獲益，并滿(mǎn)足高壓數字控制應用日益增長(cháng)的隔離需求。
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參考文獻
[1] D. Varajao, C. Menditti Matrisciano, “Isolated gate driving solutions – Increasing power density and robustness with isolated gate driver ICs,” Infineon Technologies AG, Application Note v1.1, AN_1909_PL52_1010_201256, June 2022
[2] C. Menditti Matrisciano, T. Beer, D. Varajao, Infineon Technologies AG, “Using the EiceDRIVER? 2EDi product family of dual-channel functional and reinforced isolated MOSFET gate drivers,” Infineon Technologies AG, AN_1805_PL52_1806_095202, 2019
[3] W. Frank, H. Rettinger, “New International Standard for Magnetic and Capacitive Couplers,” Bodo’s Power Systems, November 2020, p. 40-43
[4] D. Varajao, C. Menditti Matrisciano, “Dual-channel isolated EiceDRIVER? 2EDF7275K in telecom bricks – Application example in a 600 W quarter-brick 48 V to 12 V full-bridge to full-bridge rectifier evaluation board,” Infineon Technologies AG, AN_2002_PL52_2003_165036, 2020
作者：
Jiaxin Tian 英飛凌高級產(chǎn)品應用工程師
Narayanaswamy Swaminathan博士 英飛凌產(chǎn)品工程師
Diogo Varajao博士 英飛凌隔離IC技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)主管
Jimmy Wang 英飛凌首席應用工程師
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