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:3055

  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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2026-09-15 11:06 阅读量:221
充分释放GaN潜能:纳芯微GaN驱动芯片破解高功率密度应用难题
  随着AI算力爆发以及人形机器人产业的快速演进,电源系统向着更高功率、更高效率、更小体积的方向快速迭代。氮化镓 (GaN) 作为宽禁带代表性器件,凭借开关速度快、损耗低、面积小等先天优势,已经成为超高功率密度系统不可或缺的核心拼图。但GaN是一把双刃剑,其优越性能落地到实际硬件设计时会遇到诸多工程挑战,如何通过驱动IC的技术创新,把GaN的理论性能充分释放,已经成为行业关注的焦点。  本文将从GaN应用与市场洞察、GaN关键应用痛点与驱动IC技术演进、纳芯微宽禁带半导体驱动及系统级解决方案三个维度展开,剖析GaN规模化落地背后的技术逻辑。  GaN市场迎来跃迁:  从消费电子走向高端高功率场景  GaN器件早已不再局限于消费类快充等传统场景,AI数据中心与人形机器人关节正在成为GaN两大里程碑式核心战场,同时新能源汽车OBC、激光雷达、户用光储储能、伺服驱动、D类功放等领域,也在加速导入GaN方案,充分挖掘器件在效率与功率密度等方面的价值。  数据中心供电:  功率密度激增,GaN的核心战场  AI大模型算力需求爆发直接带动GPU单板功耗持续攀升。从A100单卡400W、算力312TFlops,迭代到Rubin平台单卡约2300W、算力4PFlops,算力提升12倍的同时功耗提升6倍,算力与功耗同步高速增长。  行业已经全面进入Rack‑Scale机架级算力时代,计算单元由单张GPU显卡升级为整机柜。短短数年内,单机柜功率由60kW一路走高至600kW,未来规划将迈向1MW机柜,然而机柜物理体积并没有同步放大,对供电链路的功率、效率、集成度提出前所未有的严苛要求。  以数据中心PSU电源单元为例,当前54V架构主流 PSU功率密度为18‑33kW/U;下一代HVDC高压直流PSU将达到50‑100kW/U;后续机架式DC‑DC转换环节功率密度可达90‑120kW/U;更进一步,高压上板的板载DC‑DC模块,功率密度目标突破 2000W/in³。这一系列极具挑战的指标,也直接推动 GaN在数据中心供应链迎来爆发式的用量增长。  机器人关节:  下一个高功率密度主战场  人形与四足机器人属于电池供电移动式设备,自由度高、关节数量众多。每一处关节模组同时承受高峰值功率、毫秒级电流响应、长期间歇/连续运行、严苛的体积、重量与散热等多重约束。机器人关节功率覆盖10W‑4000W每轴,要在极小的结构空间里面实现全部性能,GaN凭借高频小型化的能力,成为机器人伺服驱动极具竞争力的技术路线,目前行业头部客户已经开启规模化方案验证与导入。  综合两大场景可以看到,消费电子应用会优先权衡成本因素;而在AI算力、机器人、车载OBC、光储等高端工业场景,系统更看重GaN带来的高效率、高功率密度收益,GaN的产业重心已经发生明显迁移。  GaN工程落地痛点:  驱动IC如何破解器件固有难题  GaN材料拥有优异的理论性能,但器件本身的电气特性带来诸多设计难点。超高功率密度系统追求高频高速运行,需要在有限PCB空间内部署全部器件并稳定工作,这就对GaN驱动芯片提出多重硬性要求:高抗共模干扰、极低传输延时、封装极致小型化;同时还要直面增强型GaN导通阈值低易误导通、需要安全关断、第三象限反向导通引发自举过压这三大固有痛点。  针对上述工程挑战,纳芯微打造了完整的GaN专用驱动产品矩阵,通过高CMTI抗扰设计、超短传输延时、多规格小型化封装,搭配独立开通关断驱动通道、芯片内集成负压、米勒钳位、智能有源自举控制、内置LDO稳压等系列核心技术,从芯片硬件层面一一对应化解各类应用风险,帮助开发者充分释放GaN器件的理论性能,降低整机系统的设计调试门槛。  痛点一:  高频高速工况,对驱动抗扰、延时、  封装提出极限要求  GaN开关速度极快,节点电压可在纳秒级别大幅跳变,电磁环境恶劣,驱动芯片必须具备很高的共模瞬态抗扰能力;同时全链路传输延时需要做到足够低,匹配器件高速开关特性。纳芯微GaN驱动系列产品可实现100V/ns以上的CMTI抗扰能力,最小传输延时低至2.6ns。  极致小型化不只是针对GaN功率器件、磁性元器件,而是电源全链路器件共同的诉求。驱动芯片作为核心配套,封装尺寸也必须同步压缩。纳芯微提供最小1.2×0.8mm WLCSP超小封装NSD2017,此外还覆盖2×2mm、3×3mm、5×7mm多种封装规格,覆盖从激光雷达高频小体积,到大功率工业电源的多元布板需求。  痛点二:  导通阈值低,易发生误导通风险  主流E‑mode增强型GaN导通阈值仅1V左右,很小的栅极电压扰动就会引发器件误开启,带来系统损坏风险。  传统驱动方案采用二极管构建开通、关断共用回路。二极管导通会产生约0.7V压降,器件关断状态下栅极电压被抬高至0.7V,距离1.1V阈值十分接近,电路任何微小扰动,都可能造成GaN误导通。  纳芯微GaN驱动芯片内部集成独立开通/关断双驱动通道,硬件层面舍弃关断二极管,从根源降低误导通风险,该技术已是纳芯微GaN驱动产品的标配。  为进一步保障650V高压GaN器件可靠关断,行业普遍采用负压关断方案。目前分立搭建负压电路主要分为三类:  双绕组变压器方案:正负绕组分别输出正压、负压,性能好,但绕组数量多,成本高;  单绕组搭配稳压管方案:绕组数量减少,成本折中,但正负电压互相牵制;  自举搭配分立器件方案:成本最低,但需要持续发波建立负压,对半桥占空比存在限制,工况适配范围受限。  三类分立方案各有短板,很难同时兼顾负压稳定性、PCB面积、硬件成本。纳芯微推出NSD2622N高压半桥GaN驱动,芯片内部集成负压生成电路,无需外部复杂分立负压网络,一站式实现稳定负压输出、精简外围器件、控制整体BOM成本。  针对双向GaN开关应用,驱动调试难度更高,纳芯微推出GaN驱动NSD2622NB,为双向开关场景提供集成负压、通道可灵活配置的专用驱动方案,大幅简化双向拓扑硬件设计。  痛点三:  第三象限反向导通,  带来自举上管VGS过压隐患  GaN在半桥拓扑第三象限反向导通时,SW节点电压可低至‑2V。该负压会给自举电容充电,造成上管栅源电压VGS被充到7V附近,对GaN的稳定运行带来高风险。  行业传统分立解决思路存在明显短板:一是上管栅极并联齐纳稳压管做钳位,会带来额外损耗、温升,占用PCB面积;二是在GaN DS两端并联肖特基二极管,试图拉低反向负压,却会增加寄生参数,牺牲功率密度,违背选用GaN器件的初衷。  理想的解决思路是在GaN反向导通阶段,直接切断自举充电通路,阻断负压向上管栅极传递。该逻辑对时序、逻辑控制精度要求极高,分立器件很难落地,却是集成电路的优势所在。  纳芯微NSD2123半桥GaN驱动内置Smart Bootstrap Charge智能自举有源开关,在器件进入第三象限导通瞬间精准断开自举链路,规避VGS过压风险,且集成米勒钳位功能,有效避免误导通,在外围电路极度精简下实现了安全自举与可靠关断。除此之外,半桥GaN驱动NSD2012N与NSD2622N在芯片内集成LDO稳压,不依赖外部自举供电,同样可以一站式解决负压关断与自举过压两大难题,排除寄生电容影响,提升开关速度。  纳芯微提供完整产品矩阵,  赋能超高功率密度系统开发  针对不同应用场景,纳芯微形成完整GaN驱动产品矩阵,客户可以按需选型:  NSD2017:WLCSP 1.2×0.8mm超小封装,2.6ns超低延时,适配激光雷达等高频、极致小型化应用;  NSD2123:110V半桥驱动,集成米勒钳位与Smart Bootstrap智能自举有源开关,面向数据中心IBC、机器人关节等中低压场景;  NSD2012N:单管GaN驱动,集成LDO+负压关断,QFN 3×3mm小封装;  NSD2622N:700V高压半桥驱动,集成LDO与负压关断,面向650V高压大功率电源、双向开关拓扑;  NSD2621:700V半桥驱动,芯片内集成LDO稳压。  同时需要注意的是,GaN带来的系统升级,挑战不只来源于功率器件本身,也不局限于栅极驱动芯片。整套系统链路都需要同步迭代:采样链路需要更高带宽、更强抗干扰;MCU需要更高算力与更快响应速度;通信接口抗干扰能力需要升级;面向HVDC高压架构,系统隔离性能也需要同步匹配。  作为全品类数模混合信号芯片提供商,除了GaN驱动以外,纳芯微还提供带死区控制、保护功能、采样功能的隔离智能栅极驱动,同时配套隔离器件、信号链、电源管理、MCU等多类芯片,覆盖从驱动、采样、控制到通信的全链路需求,帮助客户完成超高功率密度系统的整体设计落地。
2026-09-11 10:37 阅读量:266
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