高压数字控制应用中实现安全隔离与低功耗的解决方案

引言

在高压应用中，实现有效的电气隔离至关重要，它可以避免多余的漏电流在系统中具有不同地电位(GPD)的两个部分之间流动[1]。如图1(左)所示，从输入到输出的DC返回电流可能导致两个接地之间产生电位差，从而导致信号完整性降低、质量下降。这就是隔离器(即隔离式栅极驱动器IC[2]或数字隔离器)的用武之地，如图1(右)所示。隔离器通过阻止电路两部分之间的DC和不受控的AC电流流动，仅允许通信信号和功率通过隔离屏障。此外，隔离器还为人与高压系统的交互提供了必要的保护，并提供了电平转换功能，使不同电压级别的系统之间可以互动。

图1：系统两部分之间的DC返回电流会产生多余的接地回路(左)，而电气隔离会通过断开接地连接，来防止多余的接地回路(右)。

通常而言，隔离器大致可分为两类：光隔离器和数字隔离器。

光隔离器，通常被称为光耦，是一种模拟隔离产品，它利用光通过隔离屏障来传输信号。光隔离器因其问世早、价格具有竞争力，数十年来在业内被广为使用。然而，LED的开关速度将可实现数据速率限制在了每秒几兆位。此外，光隔离器还需要使用额外的板载电路元件，来提供适当的偏置并驱动集成式LED。这要占用额外的PCB面积，并增加了应用的物料成本(BOM)。尽管现在的技术可以将外部偏置和驱动电路集成在一个封装中，来最大限度地缩小PCB的尺寸、实现更高的速率，但这会大幅增加解决方案的成本。

另一方面，数字隔离器使用电容或电磁隔离技术，来传输信号。这些技术大幅缩小了隔离元件的尺寸，同时实现了较长的使用寿命[3]。由于与光隔离器相比，数字隔离器具有如下优势，因此，近期已成为诸多应用的首选：

•优化系统BOM物料成本，缩小PCB面积

•准确的时序特性，更低的功耗

•增强的共模瞬态抗扰度(CMTI)

•可靠的绝缘寿命，获得了元件级标准IEC 60747-17的认证

•集成更多功能，例如：输入滤波器、收发器(例如：CAN, RS-485)、输出使能选项

表1总结了光隔离器和数字隔离器之间的主要区别。

英飞凌第一代ISOFACE™数字隔离器2DIBx4xxF

为了满足工业应用日益增长的隔离需求，英飞凌发布了其第一代双通道数字隔离器，兼具高坚固性、精确的延时性能与低功耗。

这款新产品采用了英飞凌的无芯变压器(CT)技术专利。这项创新技术利用半导体制造工艺，集成了一个片上变压器，该变压器包含金属线圈，由二氧化硅绝缘屏障进行隔离(如图2所示)。这种方法可以通过耦合变压器传输信号。

此外，该产品还集成了抖动滤波器、通信调制、看门狗和欠压锁定(UVLO)等功能，哪怕在存在严重的高压和嘈杂的工业环境中，也能确保稳健、安全的数据传输。

图2：英飞凌ISOFACE™数字隔离器2DIBx4xxF使用的无芯变压器的截面图

不同产品型号具有不同的通道配置、失效安全默认输出状态，以及可变或固定的输入阈值，详见表2。

该双通道数字隔离器系列通过了器件级UL-1577和IEC 60747-17(VDE 0884-17)标准认证，并且还具有系统认证，例如：针对电信和服务器应用的IEC 62368-1。其爬电距离和空间距离为4mm，非常适用于需要基本隔离的应用，例如：低压DC-DC块、高边浮动驱动器，以及隔离式UART/CAN通信。

表3总结了英飞凌ISOFACE™双通道数字隔离器的特点以及为客户带来的优势

ISOFACE™双通道数字隔离器的应用示例

隔离式低压DC-DC块

低压DC-DC电源模块广泛应用于电信和服务器 开关模式电源(SMPS) ，旨在实现稳定的12-VDC输出[4]。为了满足对更高功率密度、更强安全性，以及通信能力的日益增长的需求，800W以上的隔离式DC-DC模块主要采用全桥到全桥(FB-FB)拓扑结构，由位于主电源变压器次级侧的数字控制器控制。为确保输入到输出的安全隔离，通常使用具有基本绝缘功能的数字隔离器，来传输PWM栅极控制信号。

以图3为例，图中显示了英飞凌的隔离式1kW DC-DC模块解决方案，它利用次级侧XDP™ XDPP1100数字功率控制器，来控制初级侧全桥拓扑结构。PWM信号通过ISOFACE™双通道数字隔离器2DIB0410F进行传输。

电源转换器的两侧均使用电平转换EiceDRIVER™ 2EDL802x栅极驱动器IC。数字隔离器的两个通道传输互补的PWM信号，用于对全桥对角线上不同桥臂的两个OptiMOS™功率MOSFET进行控制。不仅如此，ISOFACE™ 2DIB0410F还提供一个固定的TTL输入阈值，不受SMPS 应用VDD电源线上的噪声影响。默认的低输出状态可确保当数字隔离器的输入侧供电低于欠压锁定电压(UVLO)时，安全关断所有MOSFET。

图3：使用ISOFACE™ 2DIB0410F的隔离式低压DC-DC模块

隔离CAN和UART通信

控制器局域网(CAN)和通用异步收发器(UART)通信被广泛应用于工业和汽车应用。其共同优势在于，物理层只需一对连接线(两条通信线)即可进行数据通信。

当需要确保隔离CAN或UART接口的安全性或防止噪声干扰时，ISOFACE™双通道数字隔离器2DIB1401F便脱颖而出，成为电气隔离的理想选择。

这款可靠的隔离器可提供高共模瞬态抗扰度(CMTI)和极低的脉宽失真(PWD)，而这些都是实现可靠通信所需的关键特性。此外，隔离器默认的高输出状态，即便在发生故障时，也可确保通信线路(在空闲状态通常处于逻辑高电平)畅通无阻，从而防止输入侧出现潜在的电源损失。

图4显示了隔离式CAN接口的一个示例(与英飞凌的CAN收发器TLE9251一起使用)。ISOFACE™ 2DIB1401F位于控制器和收发器之间，用于提供电气隔离。

图4：使用ISOFACE™ 2DIB1411F的隔离式控制器局域网(CAN)通信

GaN IPS半桥的功能隔离

最近，650 V 氮化镓(GaN)HEMT在SMPS设计中的重要性与日俱增，这要得益于它可以以更高的开关频率工作，同时显著降低能耗。此外，将氮化镓开关与集成栅极驱动器整合到一个封装中的GaN集成功率级(IPS) ，在打造具有更高功率密度、更少元器件以及最小寄生效应的设计方面，正在成为越来越受欢迎的选项。

为确保高边GaN IPS正常运行，由于栅极驱动器参考开关中点，必须使用数字隔离器来为栅极驱动器执行电平转换功能。由于GaN HEMT能够产生高达100 V/ns的快速dv/dt切换，因此，可能会产生高共模瞬变，因此需要使用一个可靠的解决方案。ISOFACE™数字隔离器就适用于这种情况，它可以提供最小100 V/ns的CMTI，并确保PWM信号的可靠传输。

图5展示了使用ISOFACE™双通道数字隔离器2DIB1410F用于高边浮动驱动的示例。它使用了一个正向数据通道，来传输栅极信号，同时使用反向通道将故障反馈信号传送至控制器。

为低边GaN IPS选择另一个ISOFACE™ 2DIB1410F同样可取。为了平衡高边和低边信号路径之间的传播延迟，以及为GaN IPS(功率地)和控制器(数字地)的不同接地提供隔离，我们强烈推荐这一方式。

图5：ISOFACE™ 2DIB1410F提供的GaN IPS半桥功能隔离

结论

总而言之，英飞凌先进的ISOFACE™数字隔离器集低电流消耗、改进的共模瞬态抗扰度和高传播延迟精度为一体，是高压数字控制应用的坚固而又可靠的选择。当与英飞凌的XDP™数字控制器、EiceDRIVER™栅极驱动器IC以及功率开关(例如：OptiMOS™、CoolMOS™、CoolSiC™和CoolGaN™)产品组合联用时，便可打造一个完整的系统解决方案，满足现代电力电子应用日益增长的隔离需求。

利用这些前沿技术，英飞凌的客户将能从较高的电源安全性、更好的系统性能以及更高的可靠性中获益，并满足高压数字控制应用日益增长的隔离需求。