纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

Release time:2023-10-09
author:AMEYA360
source:纳芯微
reading:2280

  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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纳芯微亮相一汽供应链创新科技展,携全栈芯片方案共筑汽车“芯”生态
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2025-07-31 14:09 reading:483
纳芯微发布NSD7315系列H桥直流有刷电机驱动芯片
  纳芯微今日宣布推出NSD7315系列大电流H桥驱动芯片,具备40V耐压能力与10A峰值输出电流,支持硬件和软件SPI两种输入接口版本,该系列芯片支持1路H桥或者2路半桥配置,可直接驱动1路直流有刷电机或2路电磁阀等负载。  NSD7315-Q1车规版本适用于多种汽车应用场景,包括车身电子锁、发动机控制系统中的电子节气门、废气再循环、分流阀,以及空气悬架CDC等应用。NSD7315工规版本也可应用于自动升降桌、电动窗帘、扫地洗地机等消费类设备。新推出的NSD7315是对纳芯微现有的NSD73xx系列H桥驱动产品在大电流方向上的进一步拓展。  产品特性  满足AEC-Q100 grade 1: –40°C~125°C TA(车规版本)  工作电压:4.5V~35V (40V耐压) ,输出电流:10A (峰值)  超低内阻 Rds(on) (上管+下管):150mΩ @TJ = 25°C, 13.5V  集成电流采样功能:比例电流输出(IPROPIx)  集成可配置的电流调节功能  可配置的控制模式:PH/EN,PWM(IN1/IN2) 和独立半桥控制  输出上升/下降时间压摆率可配置,优化降低EMI性能  低功耗模式:静态电流3μA @TJ = 25°C, 13.5V  SPI 和硬件接口选择:  – SPI接口:NSD7315S-Q1  – 硬件接口:NSD7315H-Q1  先进保护和智能诊断功能:电源欠压保护,电荷泵欠压,过流保护,负载开路检测,过热关断与过热预警,故障状态输出(nFAULT/SPI)  大电流,低温升,具备出色带载能力  NSD7315上下管总导通电阻仅为150mΩ,峰值输出电流可达10A,能够为汽车有刷电机、阀门泵类及工业电机提供大扭矩带载能力。即使在高温环境下,也具备较低且稳定的温升表现,运行持久可靠。  在半桥模式下,带载持续输出2A电流,环境温度为25℃,芯片温升稳定在24.4℃。带载持续2A电流时的芯片温升  在全桥模式下,带载持续输出5A电流,环境温度为25℃,芯片温升稳定在125°度,未触发过温保护。带载持续5A电流时的芯片温升  灵活设置输出压摆率,有效平衡大电流驱动中的温升与EMI挑战  在电机等负载驱动中通常采用硬开关方式,而大电流驱动会带来显著的电流变化率(△I/△T),进而产生较大的电磁干扰(EMI)(如下图所示)。若芯片输出的压摆率固定且较慢,会导致内部MOS开关损耗增加,导致温度升高。因此,如何在满足EMI性能的同时控制温升,是大电流驱动应用中的一大难点。  NSD7315支持根据不同负载和不同输入PWM频率,来灵活设置输出的上升/下降Slew Rate,同步配置死区时间,方便工程师在不更改硬件设计的前提下,通过软件(SPI版本)或者SR管脚(HW版本)来优化温升和EMI性能。  内部集成电流采样和电流调节,减少系统面积和成本  NSD7315集成电流采样功能,无需外部功率采样的电阻和电流运放即可实现电流检测。通过IPROPIx管脚,可按1/1100的比例输出每个半桥上管MOS的正向导通电流(即从Drain到Souce端的电流)。若将IPROPI1和IPROPI2管脚连接在一起,则输出电流为两个上管的正向电流之和(如下图所示)。NSD7315内置电流镜  同时,NSD7315还集成了电流调节功能,当输出电流超过内部设定的电流阈值时,芯片会自动执行限流功能,以防止在电机启动或堵转等工况下出现过大负载电流,从而避免芯片过热和电机损坏。  具备负载开路诊断功能,精准定位反馈故障,无需人工排查  NSD7315支持输出端负载开路诊断功能,可在驱动芯片待机模式和工作模式下分别检测负载状态,帮助系统在电机运转前或运行中及时发现异常,提升系统可靠性。该功能支持两种检测模式:待机模式检测(OLP)和工作模式检测(OLA)。  待机模式下的负载开路检测(OLP):芯片通过依次使能内部的上拉和下拉电流源,测量流经内部上/下拉电阻的电压,并与内部比较器的电压阈值进行比对,从而判断输出是否存在开路。  工作模式下的负载开路检测(OLA):芯片通过检测死区时间内高边续流MOS管体二极管的导通压降,并与固定的VOLA电压阈值比较,实现实时开路检测。  OLA模式检测电路  封装与选型  纳芯微H桥直流有刷电机驱动NSD7315系列现已全面量产,作为NSD73xx系列的重要拓展,该系列具备良好的通用性与可靠性,适用于多种典型负载需求。NSD7315系列的推出,进一步完善了纳芯微在电机驱动领域的产品布局,为客户提供更高集成度与系统适配性解决方案,助力终端产品快速落地。NSD73xx系列选型表
2025-07-30 10:50 reading:245
纳芯微重磅推出车规级SBC NSR926X,助力智能汽车电子架构升级!
  汽车电子电气架构正加速从分布式向域控制中央集中式方向发展,系统设计面临以下关键挑战:  • 系统集成度:功能数量持续增加,需通过高集成方案降低外围器件数量,优化PCB空间布局;  • 功耗管理:低功耗待机、快速唤醒与多模式能耗控制需求提升,设计平衡难度加大;  • 总线系统设计:CAN FD、LIN等多总线架构广泛应用,需兼顾高速传输、低干扰性能与网络唤醒机制,保障通信可靠性与整车功耗水平。  纳芯微全新推出的NSR926X系列车规级SBC系统基础芯片,集成了三路低压差稳压器(LDO)、四路高边驱动(HSS)、LIN收发器及带部分网络(Partial Networking, PN)功能的高速CAN收发器,采用多合一平台级设计,全面满足智能汽车控制模块对供电、通信与驱动等功能的集成化需求,助力下一代汽车电子架构高效升级!  封装与选型  NSR926X采用7mm × 7mm QFN48封装,带Wettable Flank结构,支持AOI检测,符合AEC-Q100 Grade 1车规认证,可广泛应用于车身控制模块(BCM)、尾门控制单元、转向系统模块、挡位选择模块等车载电子系统。  NSR926X系列产品选型表  产品亮点  集成三路LDO输出,满足多电压域供电需求  ◆ LDO1:主稳压输出,提供5V/250mA (NSR926X) 或3.3V/250mA(NSR926XV33),适用于MCU供电;  ◆ LDO2:辅助稳压输出,5V/100mA,具备板外使用保护功能;  ◆ LDO3:可配置电压输出,支持5V或3.3V(NSR926X)、3.3V或1.8V(NSR926XV33) 选择,配合外部PNP晶体管可用于板外供电或与LDO1负载共享。  集成四路高边驱动,满足多样化负载控制需求  ◆ HS1、HS2:3Ω导通阻抗,适配中等功率负载;  ◆ HS3、HS4:6Ω导通阻抗,适用于轻载控制;  四路HS针对带大电容启动的应用场景进行了设计优化,兼顾启动性能与短路保护需求。  支持CAN FD与LIN通信,适配复杂车载网络架构  ◆ CAN收发器:支持最高5 Mbit/s FD通信,兼容CAN 部分网络(Partial Networking, PN)功能与CAN FD容错模式,符合ISO 11898-2:2016与SAE J2284标准;  ◆ LIN收发器:支持LIN 2.2协议,兼容ISO 17987-4与SAE J2602标准;  集成7种状态机模式,适配各种应用场景  ◆ 初始化模式 - Init Mode;  ◆ 正常工作模式 - Normal Mode;  ◆ 低功耗模式 - Stop/Sleep Mode;  ◆ 故障保护模式 - Restart/Fail-safe Mode;  ◆ 用户调试模式 - Test Mode  集成完善的智能唤醒与系统监控/故障诊断功能  ◆ WK端口支持电压检测及远程唤醒功能,具备高压测量功能,通过WK1与WK2可实现高压检测与备用测量模式切换;  ◆ 16位SPI接口,支持灵活配置与系统状态监控;  ◆ 故障输出/通用IO:3路Fail输出,支持故障状态显示,FO2/FO3可配置为通用IO或唤醒源;  ◆ 集成Fail-safe安全机制、看门狗定时器(窗口模式与超时模式)、中断与复位输出功能  依托高集成、高可靠、低功耗、可扩展等优势,纳芯微NSR926X系列SBC为下一代智能汽车电子系统提供稳定、灵活、可靠的一站式电源与通信支持平台!
2025-07-28 14:06 reading:455
纳芯微参与车规传感器标准制定,推动汽车电子行业发展
  在汽车电子技术加速发展的背景下,产业标准体系建设已成为行业高质量发展的关键之一。作为国内领先的汽车模拟芯片和传感器芯片企业,纳芯微不仅在产品创新和市场拓展方面不断发力,还积极参与行业标准的制定,推动技术规范化进程。  近期,由纳芯微参与编制的《汽车用霍尔式传感器性能试验方法》团体标准,已正式获得中国检验检测学会批准发布。该标准对霍尔式传感器的一般试验、外观检查、工作温度范围、电气特性等性能测试方法进行了系统规定,为相关产品的开发、验证和质量评估提供了统一的技术依据。  纳芯微在技术创新、市场拓展及产业链协同持续突破。其产品广泛应用于新能源汽车三电系统,并加速渗透至智能化和安全领域。自2016年发布首款汽车芯片,截止2024年,纳芯微汽车芯片累计出货量已达6.68亿颗,2024年汽车业务营收占比36.88%。  在磁传感器领域,纳芯微不断丰富产品体系并布局全面,2024年顺利完成对麦歌恩的战略收购与整合,进一步拓展技术与产品矩阵,提升市场竞争力,巩固行业领先地位。  磁电流传感器(例如:NSM201x系列和NSM203x系列)可用于汽车电池管理系统的电流监测;  磁开关传感器(例如:MT72xx系列和MT73xx系列)可用于车门、尾门、座椅卡扣等部件的测与控制;  磁角度传感器(例如:MT6511)可实现精准的角度位置感知,提升电控系统的稳定性;  磁阻编码器(例如:MT6835 和 MT6826S)以高精度和快速响应为优势,广泛应用于工业自动化和运动控制等领域;  速度传感器(例如:NSM41xx系列)采用AMR技术,可用于汽车ABS系统中的车轮速度检测,助力制动控制系统实现精准响应与安全提升。
2025-07-23 10:43 reading:389
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