【導讀】隨著(zhù)工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域對高可靠性、更長(cháng)使用壽命和更高信號完整性的需求不斷增長(cháng)，給高壓應用帶來(lái)了一系列挑戰。在高壓系統中，必須通過(guò)隔離手段構建可靠的隔離柵，將敏感的電子元器件與快速瞬變的高壓組件進(jìn)行電氣隔離，以保證電源安全性、更好的系統性能和更高的可靠性。這需要考慮很多因素，包括隔離額定值、爬電距離和電氣間隙、共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）和電磁干擾（EMI）。
近年來(lái)，在光伏、充電樁、新能源汽車(chē)、儲能等新興需求以及工控、電源、電力等傳統應用有增無(wú)減的需求推動(dòng)下，高壓數字控制應用的隔離需求日益增長(cháng)，高效率和高可靠性數字隔離器進(jìn)入了需求旺盛期。
碳化硅（SiC）等寬禁帶（WBD）器件和驅動(dòng)產(chǎn)品在推進(jìn)功率密度不斷提升的同時(shí)，也對隔離提出了更高的要求?，F在，數字隔離器已成為助力高壓應用發(fā)揮巨大潛力的半導體器件之一，廣泛應用于光伏、新能源車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化系統、隔離SPI、RS232、RS485、通用多通道隔離和電機控制等。
高壓隔離遇到諸多挑戰
隨著(zhù)工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域對高可靠性、更長(cháng)使用壽命和更高信號完整性的需求不斷增長(cháng)，給高壓應用帶來(lái)了一系列挑戰：
高壓功率轉換必須在最大限度降低系統功率損耗的同時(shí)提高效率；高壓隔離設計需要有堅固的隔離屏障來(lái)保證系統安全；而在惡劣的工作條件下，需要解決高壓傳感難以準確測量溫度、電流和電壓的問(wèn)題。
另外，寬禁帶功率器件的使用也使高壓系統的低延遲實(shí)時(shí)控制變得至關(guān)重要。為此，隨著(zhù)電氣化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，以及高壓電源系統復雜性的日益提升，設計人員需要在確保正確隔離級別和系統安全的同時(shí)，提高產(chǎn)品的性能和使用壽命。
所謂數字隔離器是一種在電氣隔離狀態(tài)下實(shí)現信號傳輸的器件，具有高工作電壓、低輻射、低功耗和高效率的特點(diǎn)，廣泛應用于工業(yè)控制、電力能源、通信網(wǎng)絡(luò )、儀器儀表、消費電子等各種電子系統設備中。
目前市場(chǎng)上有三種主流隔離方案：光耦隔離、電容隔離和磁耦隔離。
光耦是最早出現的隔離方式，它利用光的特性實(shí)現信號的單向傳輸。由于隨時(shí)間推移的光衰，光耦存在老化效應的問(wèn)題。
電容隔離利用電容效應消除信號的交叉干擾，具有低傳播延遲，可以在超過(guò)150Mbps的速率下傳輸數據，消耗的偏置電流更少，但隔離邊界兩側需要單獨的偏置電源電壓。電容隔離的最大優(yōu)勢是成本低，可以做成多路。
磁隔離則是通過(guò)磁場(chǎng)的屏蔽來(lái)隔離信號，在需要高頻DC-DC電源轉換的應用中具有優(yōu)勢，但其成本相對高一些。
超寬體封裝應需而生
以光伏應用為例，除了需要單晶硅和多晶硅材料外，為了提升光伏組件的功率密度方面，已經(jīng)將母線(xiàn)電壓提高到1500V，這就需要更大爬電距離的隔離器件來(lái)滿(mǎn)足國家標準GB4943.1-2022所規定的耐壓性能和爬電距離要求。為此，一些寬體（SOP），甚至超寬體（DWW）封裝應運而生，事實(shí)上，不同廠(chǎng)商對超寬體封裝的命名有所不同。
超寬體數字隔離器是一種高可靠性隔離產(chǎn)品，具有高電磁抗擾度、低電磁輻射、低功耗的特性，能夠承受更高的隔離浪涌電壓。超寬體封裝的爬電距離高達15mm，能夠滿(mǎn)足客戶(hù)高壓系統的安規要求，比如在光伏系統中，根據IEC 62109的標準要求，1500V系統增強絕緣條件下要求隔離器件的爬電距離＞14mm。
納芯微推出的超寬體數字隔離器NSI82xx系列就是這樣的產(chǎn)品，在提供15mm長(cháng)爬電距離的同時(shí)，還具備優(yōu)異的EMC性能，非常適用于光伏等對爬電距離有較高要求的高壓系統。該器件可兼容替代其他一些廠(chǎng)商的高精度、高速、雙向數字隔離器。
根據應用不同，NSI82xx系列產(chǎn)品分為NSI82xx-DSWWR/NSI82xx-Q1SWWR系列高可靠性、多通道超寬體數字隔離器。其中NSI82xx-DSWWR是工規產(chǎn)品，包括NSI822xWx-DSWWR (2通道)、NSI823xWx-DSWWR (3通道)、NSI824xWx-DSWWR (4通道)；NSI82xx-Q1SWWR是車(chē)規產(chǎn)品，包括NSI822xWx-Q1SWWR (2通道)、NSI823xWx-Q1SWWR (3通道)、NSI824xWx-Q1SWWR (4通道)。
NSI82xx-DSWWR系列超寬體數字隔離器已于2022年1月量產(chǎn)，目前已有電源、新能源車(chē)、電力、工業(yè)自動(dòng)化、光伏系統、儲能、充電樁等領(lǐng)域的客戶(hù)在使用納芯微的超寬體數字隔離器。
瞄準高效率、高可靠、多功能
以四通道的數字隔離器NSI824x系列為例，其已通過(guò)UL1577安全認證，可承受多種級別絕緣耐壓（3kVrms、3.75kVrms、5kVrms和8kVrms），其中超寬體封裝可提供高達8kVrms的絕緣耐壓能力，數據速率高達150Mbps，CMTI高達200kV/μs（最小值）。
顯示NSI824x高速性能的眼圖
該系列器件提供數字通道方向配置和輸入缺失時(shí)的默認輸出電平配置；寬電源電壓支持與大多數數字接口直接連接，易于進(jìn)行電平轉換；較高的系統級EMC性能提高了使用的可靠性和穩定性。
NSI824x系列采用電容隔離技術(shù)，數字信號由發(fā)射器側的內部振蕩器產(chǎn)生的RF載波調制，然后通過(guò)電容隔離傳輸，并在接收器側進(jìn)行解調。該調制采用納芯微專(zhuān)利的Adaptive OOK?調制技術(shù)，具有高抗噪性和低EMI的優(yōu)點(diǎn)。
單通道功能框圖和OOK調制
NSI824x系列的主要特性
NSI824x數字隔離器具有豐富的功能特性，具體如下：
● 絕緣電壓：最高達8kVrms（超寬體封裝）
● 數據傳輸速率：DC至150Mbps
● 電源電壓：2.5V至5.5V
● 高CMTI：200kV/μs（最小值）
● 芯片級ESD：±8kV（人體模型）
● 強大的電磁兼容性（EMC）
● 系統級ESD、EFT和浪涌抗擾度
● 低電磁輻射
● 默認輸出高電平或低電平選項
● 低功耗：1.5mA/ch（1Mbps）
● 低傳播延遲：＜15ns
● 工作溫度：-55℃～125℃
● 符合RoHS規范的封裝：SOP16 (150mil/300mil/600mil)，SSOP16
NSI824x數字隔離器通過(guò)的安規認證如下：
● UL1577認證：絕緣電壓最高達8kVrms（1分鐘）
● CQC認證：符合GB4943.1-2011
● CSA認證：組件符合5A
● DIN VDE V 0884-11:2017-01增強型隔離認證
IPM的典型PWM隔離電路
PCB布局小貼士
在PCB布局時(shí)需要注意的是，NSI824x的VDD1和GND1、VDD2和GND2之間需要0.1μF的旁路電容器，電容器應盡可能靠近封裝放置。在所推薦的PCB布局正面，需確保芯片下方的空間沒(méi)有平面、跡線(xiàn)、焊盤(pán)和過(guò)孔。
推薦的PCB布局正面和背面
如果系統噪聲過(guò)大，為了增強設計的穩健性，用戶(hù)還可以使用與輸入和輸出串聯(lián)的電阻器（50～300Ω）。串聯(lián)電阻器還可提高系統可靠性，例如閂鎖抗擾度。隔離器驅動(dòng)通道的典型輸出阻抗約為50Ω，±40%。當驅動(dòng)傳輸線(xiàn)影響負載時(shí)，輸出引腳應適當端接可控阻抗的PCB跡線(xiàn)。
現在，數字隔離器已成為助力高壓應用發(fā)揮巨大潛力的半導體器件之一，廣泛應用于光伏、新能源車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化系統、隔離SPI、RS232、RS485、通用多通道隔離和電機控制等。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
光伏三相逆變器系列（一）：光伏行業(yè)及三相逆變器特點(diǎn)淺析
