纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

发布时间:2023-10-09 13:05
作者:AMEYA360
来源:纳芯微
阅读量:2555

  要说电路设计有什么需要投入100%关注度,那一定要包含隔离器。

  隔离本身并不具备特别的计算、处理或转换能力,但是其发展却与工业、汽车、医疗、家用电子等发展息息相关。它的高可靠性和高性能是系统安全的保护神,所以千万不要在你的电路设计中忽略了隔离。

  隔离,隐形的守护者

  可不要觉得隔离是老生常谈的问题,它关乎着电路的安全,也关乎着人身安全。

  简单来说,电子设备中,执行系统与控制系统间电压不同,一个是数百伏交流,一个是低压直流,就和生活中,我们会把低压和高压隔离开来一个道理,高压系统往往会更容易出现静电放电、射频、开关脉冲和电源扰动,引起电压浪涌,这比许多电子元件的电压极限高出一千倍。最重要的是,这些高压除了给电子电路带来噪音和危害之外,更可能对人体造成危害。

  举一个简单的例子,电动汽车内电池电压可达400V,甚至是800V,但驾驶员依然可以从容且安全地操作各类设备、仪表和旋钮,这离不开各种形式的隔离,它们构建了高低压之间安全可靠的联系。

  既然影响深远,用什么隔离就显得尤为重要。

  自从电力为人所用开始,人们就渴望安全可靠的电力控制手段。19世纪30年代,美国物理学家约瑟夫·亨利在研究电路控制时,利用电磁感应现象发明了电磁继电器。利用电磁铁在通电和断电下磁力产生和消失的现象,来控制高电压高电流的另一电路开合,它的出现实现了电路远程控制和保护。

纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

  利用一节干电池控制电磁铁,就可以驱动220V交流电,实现安全的控制(或信息传输),有种四两拨千斤的感觉。这种简单的步骤就是隔离的本质,即两个不相干的彼此绝缘的电路间,通过某种方式实现关联。

  不过,电磁继电器的劣势显而易见,体积大、功耗高、易损坏。

  为了克服以上缺点,光耦便应运而生,它利用光电转换实现了传输与控制,在芯片级尺寸上实现相类似功能。基于光敏电阻的光隔离器于 1968 年推出,相比于变压器,光耦体积小、重量轻、价格便宜并且可靠性高,迅速成为了市场主流。光耦发展的时代,也是集成电路和信息化发展的时代,低压控制计算单元与大功率的电机、电源之间的交互越来越多,光耦也得以大发展。

  当然,微电子领域性能、功耗、体积是永远的话题,任何强大的技术也无法脱逃它的束缚。光耦如今也遇到了电磁继电器同样的问题,受限于激光器和光敏二极管,其尺寸、功耗、可靠性等都都失去了优势。

  随着半导体技术的发展,数字隔离器成了冉冉升起的新星。

  数字隔离器的爱恨情愁

  数字隔离器并不难理解,它和光耦类似,只不过是将光电转换调制变成了其它技术。不过,相比而言,数字隔离器不会出现光学衰减等现象,与光耦不同,凭借半导体技术,数字隔离器拥有诸多优势,包括开关特性好、不易老化、高可靠性、高耐压、高速率、可传输能量等。

  数字隔离器根据基本原理又可划分为电容隔离器和磁隔离器。

  电容隔离顾名思义,是利用芯片内部的微型电容进行芯片左右两侧的高压隔离,中间使用高电介质材料进行电压阻隔。电容器是一种能够存储电荷的元件,它由两个导体板和介质组成,其特性是通高频、阻低频,中间介质可以隔离低频或者直流高压信号。

  利用电容器通高阻低的特性,可以进行信号的调制传输。当输入一个高低高低的数字信号以后,芯片内部会进行信号调制,高频调制低频信号,使其可以传输到芯片另外一侧。典型的OOK(On Off Key)调制就是把“0、1”两个信号,用不同频率调制,比如高频信号代表1,没有调制的直流信号代表0,然后传输两个状态切换的信号。

纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

  电容隔离器产品框图及OOK示意图

  磁隔离器方面,与电容类似,只不过采用线圈的方式,利用电磁变换进行数据传输。

  总而言之,数字隔离器进一步解决了光耦在可靠性、传输速率、鲁棒性、尺寸、寿命等不足之处。

  科技领域从来不存在完美,数字隔离器的优势很明显,但总会有一些权衡取舍。

  首先,由于数字隔离器相对较新,因此其可靠性在不断完善和论证中。伴随相关国际标准、国内标准相继建立,现已形成一整套完善的认证流程和标准,也逐步获得了各类客户的认可。

  其次,目前光耦依然在业界占有主导地位,尤其是在一些传统应用中。因此,从光耦向数字隔离器的切换并不能一蹴而就,由于数字隔离器引脚和输入类型不完全兼容,这时就需要对设计进行改版,有时客户因为风险考虑,替换意愿不足。也正因此,业界提供了一种原位替代的方案,可以直接替代光耦,引脚兼容,在输入特性上内建电路模拟二极管特性,与光耦器件完全相同,应用设置也相同,可以实现直接进行设计替代。

  最后,电容隔离器可能会存在共模干扰问题,需要想办法抑制。

  通常的OOK技术比较直接,进来的信号是什么,就直接进行相应调制,然后在另外一边进行相应的解调。高频调制后,信号和高频共模电路都通过一个路径进行传输,因此会有共模干扰存在,这也是普通电容隔离器的不足之处。

  正是因为存在上述的问题,所以在挑选器件时才更要格外上心。有几种可以明显提升抗共模干扰能力的方法,以国内隔离器厂商纳芯微为例,其在OOK基础上开发出了Adaptive OOK®调制专利,提升了数字隔离器的抗共模干扰能力。

  所谓Adaptive其实就是自适应,通过芯片内部共模检测电路检测共模信号状态,再根据检测信号,动态、自适应地调节内部关键电路特性或增益,在共模噪声较大时,可以更好地抑制噪声,从而拥有更好的鲁棒性,提升隔离器的抗共模干扰能力。

  自适应的另一个好处是不需要在全工作状态下保证较高的抗共模干扰能力,只有当瞬间干扰比较大时,电路才需要执行更多功能以抑制干扰,而在大部分没有恶劣工况、抗共模干扰需求较低情况下,Adaptive OOK®技术则可以平衡系统性能及功耗,从而优化整体表现。

  让隔离更进一步

  从数字隔离器细分市场来看,磁隔离器只有少数公司提供,电容隔离器则是更多企业的选择,且出货量增长非常迅速。这里面不乏专利的原因,另外则是由于电容隔离在整个生产制造上相对简单,和一般的非隔离器件的晶圆生产差别不大,从而使得电容隔离在成本上有较大的优势。

  其次是电容隔离工艺能力的改善,性能也在不断的提升,特别是耐压能力、抗浪涌耐压能力等已经基本与磁隔离一致,使电容隔离同样能够满足丰富场景。

  就拿纳芯微产品来看,便可印证上述趋势。比如纳芯微第一代的NSI81xx系列是满足基本隔离要求的产品,第二代的NSI82xx系列则满足了增强型隔离的要求,另外在抗共模干扰能力,EMC性能等电气性能方面也得到了强化。据纳芯微透露,其第三代产品还将继续提升耐压性能及鲁棒性。

纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

  不同的隔离等级介绍

  电容隔离器其实是“螺蛳壳里做道场”,虽然原理简单,但一些工艺和微架构的优化创新都对整体性能有着非常大的影响。比如从OOK到Adaptive OOK®,这种让数字隔离器“更进一步”的努力,纳芯微还做了很多。

  首先,在性能上,工艺能力及微架构优化可促进耐压能力不断提高。比如同样是用SiO2高电介质填充,还需要掺杂不同元素来进一步提升耐压能力。另外电容的电场场强分布对隔离的耐压能力也是有较大的影响,因此每一家厂商的电容的结构、形状等微架构设计,都会影响性能。

  其次,在鲁棒性上,对于隔离产品的应用场合来说,更多的是工业和汽车等高压应用场景,隔离产品是属于安规产品,涉及安全相关,在这些场景下,一定要选择经过安规认证的产品。

  无论是模拟、接口、信号链等产品,厂商都需要推出不同的产品系列,以满足更多的应用场景,隔离类产品也不例外。通过基础的隔离功能,再结合其他接口、驱动或者采样等相关知识,便可让隔离技术有着更广泛的应用。

  从应用场景反推出产品定义是产品开发的主要思路,同时也是最主要的挑战,这些围绕应用进行的“隔离+”产品的定义和单纯的数字隔离器并不完全相同。

  比如隔离驱动,除了要处理数字信号,还要求厂商在具体应用场景中熟悉驱动相关的功率知识、与不同厂商功率管适配。更进一步的是,碳化硅等第三代宽禁带半导体应用对隔离驱动的安全和数据传输有更多要求。

  而在隔离接口产品中,则需考虑ESD、抗干扰能力等,隔离采样则还额外需要高精度信号链领域的积累。

  此外,隔离器有时需要与电源共同使用,因此也诞生了集成隔离电源的隔离器。

  我们看到纳芯微等国内外公司都在不约而同地布局更多隔离产品大类,从单一品类转向“隔离+”拓展策略,为更多产品提供隔离能力。

  除了产品种类丰富之外,伴随着新应用、新市场越来越多,也让数字隔离器和光耦处在了同一起跑线上。包括电动汽车、光伏、储能中越来越多细分应用领域正在涌现,对于数字隔离器的需求激增,在这些新应用的设计过程中,客户更愿意尝鲜数字隔离器。

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2026-01-29 09:39 阅读量:293
从隔离技术到功能安全,纳芯微栅极驱动构筑全场景应用护城河
  导读  从2020年初推出首款驱动芯片,短短数年时间,纳芯微在驱动芯片领域已实现了跨越式发展,核心依托自身在技术、产品、市场布局等多方面的核心竞争力。  在最近一次对外交流中,纳芯微技术市场经理庞家华就栅极驱动相关问题展开深度解读,既展现出纳芯微在产品端的创新实力,也清晰诠释了企业快速成长的底层逻辑。  锚定核心市场,打造核心优势  栅极驱动芯片是一种用于控制半导体功率器件(如 MOSFET、IGBT、SiC MOSFET、 GaN HEMT 等)开关速度和时间的集成电路。栅极驱动芯片可以放大控制器件的开关控制信号,提供足够的电流来对半导体功率器件的栅极进行快速充放电,从而实现高速开关,减少开关过程中的能量损失,并保护控制器件不受到过高电压或电流的损害。  庞家华表示,栅极驱动的核心应用市场高度集中,汽车电子、电源领域(含服务器电源、各类电源模块)、光伏领域、工业自动化领域(如变频器、伺服系统)四大场景,占据了整个市场份额的百分之七八十。这四大市场,恰好也是纳芯微深耕最多年的主力赛道。  他指出,这些核心应用场景的共性需求,是对产品可靠性的极致追求。无论是汽车电驱系统还是光伏逆变器,驱动芯片一旦出现故障,都可能引发终端应用的灾难性后果,因此客户往往将可靠性放在首位。特别是相较于马达驱动,栅极驱动往往都是大功率的应用,对于可靠性的需求不言而喻。在这一关键维度上,纳芯微的产品失效率小于1ppm(百万分之一失效率)。更重要的是,经过前几年的市场验证,纳芯微栅极驱动产品性能更稳定、不良率更低。  纳芯微作为专业的驱动及电源芯片供应商,持续投入核心资源打磨产品性能,同时立足客户多元化的功率器件应用需求,打造出可适配不同需求的栅极驱动产品,充分贴合实际应用中的器件搭配需求。  理解全场景,围绕应用构建一站式产品树  纳芯微始终以 “一站式产品树” 为核心布局逻辑,针对核心领域覆盖全应用场景,并对每个场景做深度技术耕耘,核心思路是精准把握场景痛点、实现全物料配套覆盖。  在栅极驱动核心应用领域,如电驱系统、车载充电机(OBC)、光伏逆变器、服务器电源等,纳芯微不仅提供驱动芯片,还配套采样芯片、电源芯片及各类传感器,实现不同功率等级应用场景的全覆盖。  庞家华表示,栅极驱动尽管在应用场景中作用大体相同,但由于应用本身也在不断发展演变并产生新的需求,纳芯微会将这些新需求列为解决的目标,并根据客户的产品规划来构建产品树,与客户共同成长。“我们会持续关注重点应用的发展趋势,紧跟客户的产品迭代节奏,从而不断完善产品树,这一逻辑不仅适用于栅极驱动产品,也适用于公司所有产品方向。”庞家华强调道。  纳芯微采用了“量产一代、研发一代、预研一代”的研发节奏,基本上每年都会有新产品推出。“前几年需要先完善产品种类,所以迭代节奏相对慢,后续我们希望能够保持一年一代的迭代路线图,未来当产品迭代到一定阶段后,会进入创新突破期,届时迭代周期可能会调整为2-3年一代,中间的间隔期主要用于研发创新型产品。”对于产品迭代节奏,庞家华如是说道。  目前,纳芯微已形成多系列核心产品矩阵:NSI6602 系列(半桥驱动)、NSI6801 系列(光耦替代型驱动)、NSI6611/6651 系列(智能保护功能驱动)构成核心老产品体系。  2024 年,多款迭代产品与全新产品陆续推出:  NSI6801 系列迭代至第三代 NSI6801E,在成本、售价及综合性能上实现全面提升;  NSI6602 系列升级至第三代 NSI6602ME,作为全球首款带米勒钳位功能的半桥驱动,有效抑制碳化硅(SiC)应用中的米勒震荡,在 OBC 及 SiC 应用客户中反响热烈;  NSI6611/6651 系列迭代至第二代 NSI67xx 系列,集成模拟信号采样或 ASC 保护功能,功能更丰富。  另外,纳芯微也推出了全新功能安全驱动 NSI6911F,作为国内首款应用于电驱系统的功能安全驱动芯片。  栅极驱动选型指南  栅极驱动的选型主要分为以下几个步骤:  第一步,先确定选择隔离驱动还是非隔离驱动。如需为了极致控制成本,且对性能、耐压要求不高,会选择非隔离驱动;如果应用场景对隔离、耐压有要求,则需要选择不同等级的隔离驱动。  第二步,根据驱动对象和功率等级选择合适的驱动电流和驱动电压,不同的功率器件(如氮化镓GaN、碳化硅SiC、绝缘栅双极型晶体管IGBT等)对驱动电流和电压的要求不同,需要根据具体的功率器件类型和功率等级来匹配。  第三步,选择额外的功能模块,包括保护功能,普通保护只有欠压保护、死区时间保护等;而智能栅极驱动集成了米勒钳位、退饱和保护、软关断电流、电源告警上报等复杂的保护功能。另外还有ADC采样、功能安全等等不同的需求。  另外,还可以根据拓扑结构进行选型,比如选择单管驱动(仅驱动一个功率管)或半桥驱动(驱动两个功率管)。  根据隔离、驱动种类、功能模块的区别,纳芯微有一系列独到的技术组合。庞家华特别强调,从隔离到驱动再到保护、采样和电源等功能,纳芯微多年的产品研发过程中积累了大量的成熟IP,可以支持驱动类产品的不断创新演进。  适配第三代半导体,栅极驱动定制化解决方案  随着第三代半导体的流行,纳芯微在栅极驱动方面做了非常多的工作,以适配不同的第三代半导体。  首先对于SiC而言,性能与IGBT相比差异不大,但SiC的开关速度更快,这要求驱动芯片具备更高的共模瞬变抗扰度(CMTI),以避免噪声导致器件误操作。  对于GaN而言,驱动则相对复杂,核心难点在于高频场景下的震荡抑制,需要优化驱动电流输出,同时GaN的栅极-源极(GS)电压耐受能力较弱,过压容易导致器件损坏,所以需要确保输出电压稳定。“这些技术难点无法通过一句话概括,核心还是“实践出真知”,需要不断测试、优化,才能让产品性能达到最优。因此,纳芯微选择与头部功率器件厂商联合开发,是我们做好GaN驱动的关键,也是我们的核心优势之一。”庞家华介绍道。  按照栅极特性差异,GaN分为常开的耗尽型(D-mode)和常关的增强型(E-mode)两种类型;按照应用场景差异,GaN需要隔离或非隔离、低边或自举、零伏或负压关断等多种驱动方式。针对不同类型的GaN和各种应用场景,纳芯微推出了一系列驱动IC解决方案,充分发挥GaN器件的性能优势。  其中耗尽型GaN内部集成了一个小的MOSFET,和传统的MOSFET驱动差异不大,因此使用常规驱动芯片就能够驱动。  去年9月,纳芯微、联合电子与英诺赛科共同签署战略合作协议,三方将聚焦新能源汽车功率电子系统,联合研发智能集成GaN相关产品。全新开发的智能GaN产品将依托三方技术积淀,提供更可靠的驱动及GaN保护集成方案,进一步提升系统功率密度。“GaN作为第三代半导体,目前仍处于技术探索阶段,无论是驱动芯片还是功率器件本身,都存在不少技术难点,要做好GaN驱动,需要进行联合开发,这将是一个不断摸索的过程。”庞家华强调道。  高功率场景 栅极驱动双核心保护技术解析  随着功率等级越来越高,保护电路越来越重要,选择一款合适的驱动器,可以显著提高系统的可靠性,简化系统设计,缩短研发成本。对于功率越来越大的器件,都可能因为误导通或dv/dt变化太快从而烧毁器件,因此目前保护功能中,退饱和保护(DESAT)和米勒钳位是值得注意的两项技术。  退饱和保护主要是短路保护功能,它通过集成恒流源和比较器,监测功率器件的VCE电压,当检测到短路时,会触发软关断功能,缓慢关断功率器件,避免器件因短路烧毁。关断过程不会瞬间完成,而是缓慢进行,防止关断过快导致过压损坏。  米勒钳位技术则主要是为了抑制米勒效应。米勒效应是在功率管开关过程中,功率管的集电极(C极)和栅极(G极)之间存在寄生电容CGD,在开关过程中会产生dv/dt变化,dv/dt与CGD的乘积会形成米勒电流,该电流会流向栅极,而栅极存在电阻Rg,电流通过电阻会产生电压,导致栅极-源极之间出现压差,从而使功率管被误打开,这就是米勒效应。  米勒钳位技术就是通过增加一条低阻抗的泄放路径,将米勒电流释放到地,避免栅极-源极电压被抬高,防止功率管误导通。  ASIL-D 功能安全驱动 构筑电驱系统安全核心  功能安全指的是,栅极驱动芯片可以通过对驱动芯片自身、功率模块以及驱动系统中的失效模式进行识别,结合内在安全机制和系统级安全控制逻辑,在故障容忍时间间隔(FTTI)内使系统进入安全状态,避免因故障导致严重的危害人身安全的事件发生。  采用满足功能安全标准的芯片来进行功能安全零部件的开发,可以大大简化系统开发流程,减少软硬件设计难度,降低失效风险,提高可靠性和鲁棒性。纳芯微的功能安全栅极驱动芯片集成了系统功能需求模块和诊断需求模块,可以有效降低系统成本。同时支持软件智能配置,可针对不同应用场景及功率模块的产品,实现差异化配置开发。“功能安全本质上是系统级的概念,即使不使用功能安全驱动芯片,也可以通过增加冗余设计、额外的保护电路等方式,实现较高的系统功能安全等级,只是这样会增加设计复杂度和成本。”庞家华介绍道。  庞家华表示,尽管目前行业内并没有强制功能安全的驱动,但中高端车型越来越注重性能和安全,通常会选择更高安全标准的产品,随着未来行业标准的不断演进,有可能推动功能安全驱动的强制性要求。  展望未来  庞家华表示,除功能安全,压摆率调节将成为栅极驱动的另外一个重要发展方向,该技术通过在轻载、重载等不同工况下动态调节驱动电流,优化 dv/dt 和功率损耗之间的权衡,从而实现全场景效率最大化,既契合绿色能源发展的行业共识,又能有效帮助客户降低电池、体积等核心成本,具备显著的技术价值与市场潜力。  实际上,在不久前出版的《节能与新能源汽车技术路线图3.0》上,纳芯微技术专家方舟介绍了栅极驱动的关键技术发展趋势,产品将向高性能、集成化、高可靠性与高安全性演进。比如,栅极驱动的关键技术趋势包括提升驱动电流能力,提供智能驱动电流调节和共模瞬变抗干扰度。此外,在工艺上还将攻关垂直MOS工艺、垂直BCD工艺及车规耐高压工艺等,预计到2040年通过设计与工艺优化实现桥驱与高边导通内阻进一步降低,全面支持48V系统。  另外值得一提的是未来的服务器市场,特别是AI算力中心的发展,对于功率的需求越来越大,给电源驱动带来了新的机会。庞家华认为,服务器电源追求极致的功率密度,要求体积越来越小,GaN能够充分发挥高频特性,是目前高功率密度的最优选择,纳芯微也将积极拓展该领域的布局。  “对于栅极驱动而言,功能的提升相对简单,更重要的是贴合应用场景进行技术升级。工艺优化也是同理,需要在抗干扰能力、压摆率调节功能、更大的驱动电流这些功能增加的同时,尽量缩小芯片面积,在功能和成本上达到平衡。”庞家华总结道。
2026-01-28 09:58 阅读量:309
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