纳芯微推出全新固态继电器：支持1700V耐压， 满足CISPR25 Class 5要求

发布时间：2024-05-14 09:56
作者：AMEYA360
来源：纳芯微
阅读量：3730

　　凭借在隔离技术领域的长期耕耘，纳芯微今日宣布推出基于电容隔离技术的全新固态继电器产品NSI7258系列，该系列提供工规和车规版本。NSI7258专门为高压测量和绝缘监测而设计，提供业内领先的耐压能力和EMI性能，可帮助提高工业BMS，光储充，新能源汽车BMS和OBC等高压系统的可靠性和稳定性。

纳芯微推出全新固态继电器：支持1700V耐压， 满足CISPR25 Class 5要求

　　集成SiC MOSFET，支持1700V耐压

　　无论是在工业还是汽车领域，高压系统正在变得越来越普遍，为了适配工业和汽车平台高压化的趋势，NSI7258以背靠背的形式集成了2颗纳芯微参与研发的SiC MOSFET，每颗支持高达1700V的耐压;在1分钟的标准雪崩测试中，NSI7258可耐受2100V的雪崩电压和1mA的雪崩电流，实现业内领先的耐压和抗雪崩能力。于此同时，在1000V高压，125℃高温的测试条件下，NSI7258的漏电流可以控制在1μA以内，极大提高了BMS系统中电池包的绝缘阻抗和检测精度，有助于实现更安全的人机交互。

　　满足各类安规要求，降低系统验证时间

　　高压化应用的普及需满足各类严苛的安规要求。通过纳芯微自有的专利技术，NSI7258可在SOW12封装下实现业内领先的5.91mm副边爬电距离，同时原边副边爬电距离也达到8mm，满足国际电工委员会制定的IEC60649要求。此外，凭借纳芯微卓越的电容隔离技术，NSI7258的隔离耐压能力高达5kVrms，全面满足UL、CQC和VDE相关认证，可降低客户系统验证时间，加速产品上市。

　　EMI显著优化，加速光耦继电器替换

　　传统的光耦继电器方案存在光衰问题，其性能会随着时间的推移而退化，但光耦继电器的优势是无电磁干扰问题，这也是限制高压系统中光耦替代的重要因素之一。纳芯微NSI7258通过巧妙的设计，实现了业内卓越的EMI表现，在单板无磁珠的条件下即可轻松通过CISPR25 Class 5测试，并且在全频段测试中均留有充足裕量。NSI7258基于全半导体工艺进行生产，在长期使用中具有更高的可靠性。卓越的EMI表现和更高的可靠性支持客户在系统中同时采用多颗器件而不受影响，显著降低了设计难度，助力客户在系统设计中加速光耦替换。

　　封装和选型

　　NSI7258提供SOW12封装，兼容市场主流的光耦继电器。工规版本的NSI7258将于近期量产，车规版本的NSI7258-Q1满足AEC-Q100，Grade 1要求，支持-40°C~125°C的宽工作温度范围，将于2024年7月量产。

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　　在智能驾驶向高阶演进的过程中，高压直流转换器(DC-DC)作为车载电源系统的核心组成部分，承担着将动力电池高压直流电转换为低压稳定电压的关键功能，持续为激光雷达、域控制器及电子门把手等低压负载供电，其输出电压的稳定性与可靠性直接决定上述设备能否正常工作。DC-DC 处于新能源汽车高压电气架构的关键节点，除完成电压变换外，还须集成过压、欠压保护及诊断功能。　　本文将围绕车载电源系统的低压安全目标，阐述其功能安全方案的设计思路与实现路径。　　01　　车载电源的功能安全要求　　车载充电机(OBC)负责将外部交流电转换为高压直流电，为动力电池充电，并在 V2L/V2V/V2G 等场景下实现反向逆变;DC-DC 转换器则将电池高压直流电转换为低压为整车低压网络供电，并在整车上电时通过低压电池对高压电容进行反向预充(上高压)。两者在高压电气架构中共享高压直流母线接口，且在功率拓扑、开关器件及磁性元件上存在复用空间，这为集成化设计提供了技术基础。　　基于上述特性，OBC 与 DC-DC 转换器的集成化已成为行业主流设计。此类“二合一”乃至“多合一”方案通过共享结构壳体、冷却流道及控制电路，或在功率拓扑层面进一步复用开关器件或磁性元件，有效提升了功率密度，降低了整机重量。集成后的电源系统需同时满足充电高压安全、热安全与低压供电安全等多重目标。尽管现行国标尚未要求低压系统按功能安全流程开发，但高阶智驾与线控底盘等应用的渗透率不断提升，行业实践已对其提出更严苛的要求。　　整车安全目标的导出，须基于危害分析与风险评估(HARA)，分析故障行为对人员的影响，通过标准化流程评定风险等级，进而推导出整车层面的安全目标。　　以车载电源系统的低压安全为例，若 DC-DC 低压侧输出过压，可能对下游低压负载造成直接且不可逆的损害。典型受影响的关键负载包括域控制器、激光雷达、摄像头等智能驾驶感知与决策单元，ABS/ESP 等线控制动执行模块，电动转向助力系统(EPS)控制器，以及行车大灯、制动灯等照明系统。一旦发生过压，上述负载可能在瞬间被击穿或烧毁，进而引发 ADAS 感知与决策功能完全丧失、转向与制动助力异常退出、全车灯光失效、车门锁止系统失控等连锁高危场景。依据 SAE J2980 给出的风险评估方法，可结合故障行为对人身安全影响的严重度、暴露概率与可控性三个维度，对上述场景进行危害分析与等级评定。　　图二 低压安全目标推导示例　　基于上述危害分析，国内外主流车企已形成技术共识：低压网络功能安全水平实质上构成了整车安全能力的上限。因此，DC-DC 须集成低压过压与欠压的检测及保护功能，一旦检测到相关事件，系统须在故障容错时间间隔(FTTI)内主动进入安全状态，以最大限度阻断故障对后端敏感负载的冲击。　　在安全等级分配上，过压检测与关断功能通常按最高等级 ASIL D 进行开发。而在欠压工况下，由于整车低压蓄电池具备一定的储能容量，能在 DC-DC 输出跌落时短期维持关键负载供电，事故可控性相对较高，因此一般遵循 ASIL B 的要求予以实现。　　根据上述安全目标，可进一步导出 DC-DC 输出过欠压分级保护的功能安全需求(本文中阈值相关参数仅为示例，具体定义应按主机厂要求)：　　1. 过压保护　　需依据过压幅值定义分层响应策略：　　第一级阈值(16V~17V)：要求系统在百毫秒级完成检测与关断。该设计允许短时轻度过压不被误触发，以提升系统在负载动态及纹波扰动下的鲁棒性。　　第二级阈值(21V及以上)：要求系统在微秒级快速响应并立即关断输出，以防止敏感低压负载瞬间击穿。　　2. 欠压保护　　同样采用分级策略，并根据故障严重程度施加额外的隔离措施：　　第一级阈值(低于9V)：系统通过毫秒级检测进行故障报告。　　第二级阈值(7V及以下)：低压蓄电池能量可能反向倒灌进入 DC-DC 输出端，需由硬件电路实现反向过流检测并立即触发保护。　　强制隔离要求：与过压保护仅关断输出不同，欠压保护还要求 DC-DC 在停止工作的同时，主动断开与低压蓄电池之间的电气连接，以防止输出端口内部短路时反灌回路无法被安全切断。　　未来随着整车低压网络向48V演进，过压与欠压的保护阈值及故障容错时间间隔(FTTI)窗口需重新标定，但分层保护的基本逻辑保持不变。该策略同样可应用于双 DC-DC 冗余供电架构中：当某一路 DC-DC 出现异常过压时，可在规定的时间窗口内关闭故障通道，并由另一路无故障通道持续供电，从而实现故障隔离与功能维持。这种双 DC-DC 冗余设计(例如两路独立的 DC-DC 分别供电或互为备份)在智驾、线控底盘控制器等高安全等级系统中已较为常见，可有效防止单点过压故障导致系统掉电。　　02　　低压过压保护功能安全方案　　在当前的 OBC/DC-DC 控制架构中，主要存在几种不同的架构方案。一种方案采用单颗高性能 MCU 完成全部控制。另一种方案采用 DSP+MCU 的芯片架构：DSP 仅专注于 OBC、DC-DC 的功率算法控制，低压功能及系统相关控制则由 MCU 实现。在功能划分上，还有一种实践是将与交流桩、直流桩、充电插座、充电盖板的复杂交互功能全部集成到 BMS 或 VCU 中，此时 OBC/DC-DC 只需用 DSP 进行功率算法控制，无需 MCU。　　上述不同的控制架构在芯片选型及功能集成度上差异显著，这直接决定了 DC-DC 两级过压保护(如第一级慢速保护与第二级硬件快速保护)在实现 ASIL D 系统功能安全时需要采取截然不同的分解与冗余策略。下文将分别围绕上述不同的架构方案，逐一探讨如何通过安全功能设计满足 DC-DC 两级过压保护的 ASIL D 要求。　　架构一：单颗高性能 MCU　　该架构升级功能安全的核心逻辑是追求每一个核心器件的“功能安全”，即 DC-DC 系统的 MCU、PMIC/SBC 等核心器件本身需要具备对应的 ASIL 等级。OBC 的控制功能视 MCU 资源而定，可以和 DC-DC 控制共用 MCU，或单独用 DSP 进行控制。　　图三 单颗高性能 MCU 功能安全升级措施　　通过单颗 ASIL D MCU 实现电压监控功能，部分关键安全机制如下：　　冗余电压采样　　低压电压采样故障在 DC-DC 系统中构成典型的单点失效：一旦采样值偏低，控制环路会误判输出电压不足而持续升压，导致实际电压过冲，同时依赖该采样值的过压保护功能也会随之失效。为消除这一单点风险，需设置两路独立的低压电压采样通道(图四.a)，其中一路供应用层软件实现控制功能，监控层软件则同时接入这两路采样信号，执行电压采样合理性校验，从而有效诊断并覆盖该单点故障。　　控制与冗余关断　　应用层软件专注于功率算法;监控层软件则作为独立安全通道，利用独立的采样与判断逻辑持续监测第一级慢速过压。一旦识别到故障，监控层直接控制安全状态输出信号(图四.b)。在此基础上，引入硬件过压比较器作为第二级快速过压检测，当输出电压超过硬件设定阈值时，比较器直接通过纯硬件链路触发关断，从而以极低延迟(微秒级)响应过压事件(图四.c)，与第一级过压保护形成时间域上的分层覆盖，满足对故障容错时间间隔的要求。　　关键供电和基础设施安全　　关键电源轨(采样参考供电、MCU 主核供电)及硬件比较器电路需由 ASIL D 等级的 PMIC/SBC 供电保障。该 PMIC/SBC 与 MCU 需建立相互看门狗机制，并对各自内部状态进行持续监控，同时通过上电自检确认硬件关断路径完好。任一监控项异常，均触发独立的故障关断路径使系统进入安全状态(图四.d)，避免因关键供电、芯片或安全机制失效导致安全目标被违背。　　关断路径　　故障汇总使能硬件单元(基于或门逻辑)，集中汇聚 MCU 监控层软件触发的安全状态、MCU/PMIC 硬件监控层触发的安全状态以及硬件故障相关的安全状态，并直接控制驱动芯片的使能端执行关断(图四.e)。任意一路信号有效，即触发硬件关断。　　图四 架构一 功能安全系统框图　　架构二：DSP+MCU 组合架构　　该架构将功率控制、低压功能与功能安全进行了解耦拆分：两颗 DSP 芯片仅专注于功率算法控制，另由一颗独立的功能安全 MCU 承担低压功能管理、故障检测及安全状态使能。　　图五 DSP+MCU 组合功能安全升级措施　　与架构一相比，该方案将监控相关功能全部移植到 MCU 中。监控功能的安全等级可依据 DC-DC DSP 是否为功能安全芯片进行灵活分解：图六所示方案中，DC-DC DSP 自身仅执行基本看门狗等监控，达到 ASIL A(D) 等级;而核心监控功能则按照 ASIL C(D) 开发：　　冗余电压采样(图六.a);　　MCU 监控层检测第一级慢速过压，两路合理性故障过压触发安全状态(图六.b);　　硬件第二级快速过压检测触发安全状态(图六.c);　　硬件监控层触发安全状态(图六.d);　　安全状态汇总触发驱动芯片关闭(图六.e);　　与单 MCU 架构的唯一区别在于，该方案将功率相关的 PWM 控制放入了 DC-DC DSP。　　图六 架构二 功能安全系统框图　　架构三：纯 DSP 组合　　升级方案一　　当 OBC/DC-DC 的低压相关功能均集成到整车其他控制器的时候，对于 OBC/DC-DC 来说就仅需执行功率控制，这个时候功能安全实现也就转移到了 DSP 中。　　图七 纯 DSP 组合功能安全升级措施一　　在该双 DSP 冗余架构下，DC-DC 输出级的“检测—判断—执行”安全功能被分解至两颗 DSP，并通过 PMIC/SBC 及外围电路满足相应安全等级，以 DSP 冗余实现系统级高功能安全。关键安全机制细化为以下四个层面：　　冗余电压采样　　DC-DC 输出电压两路采样信号同时接入 DC-DC DSP 与 OBC DSP，第一路采样仅需提供给 DC-DC DSP 用于功率算法控制，另外两颗 DSP 监控层软件均采样两路进行合理性校验(图八.a)。　　控制与冗余关断　　正常工作时，由 DC-DC DSP 负责实现输出功率算法控制。与此同时，DC-DC DSP 与 OBC DSP 均具备独立检测第一级慢速过压的能力，并各自控制一路安全状态输出信号。任一 DSP 识别到过压，会通过监控层软件触发关断(图八.b/c)，即使 DC-DC DSP 发生失效，冗余 DSP 仍能可靠地使系统进入安全状态。同时第二级快速过压检测和前述架构保持一致(图八.d)。　　关键供电与基础设施安全　　两颗 DSP 的关键电源轨(包括采样参考供电、主核供电等)、硬件比较器电路均由满足 ASIL D 等级的 PMIC/SBC 提供。该 PMIC/SBC 与 DSP 需建立看门狗机制，并对各自内部状态进行持续监控。DC-DC DSP 也应具备上电自检功能检查硬件关断路径是否正常。任何监控机制检测到异常，都需触发安全状态输出(图八.e)。　　关断路径　　所有安全状态信号包括：两颗 DSP 监控层软件触发的故障、PMIC/SBC、两颗 DSP 硬件监控层触发的故障以及硬件过压比较器信号，统一汇入一个基于或门逻辑的故障汇总硬件单元，该单元直接控制驱动芯片的使能端执行关断(图八.f)。　　图八 架构三 功能安全系统框图一　　升级方案二　　鉴于基于 DSP 的功能安全监控软件开发存在一定难度(需构建严格的软件分区隔离、双通道交叉比较、程序流检测与窗口看门狗等复杂冗余机制)，且对该软件监控自身的鲁棒性(如发生共因失效或软件本身缺陷时可能无法可靠关断)存在顾虑，下述方案完全摒弃 DSP 内部自带的安全机制，转而通过增加独立外部硬件电路来实现第一级电压监控，从而简化系统安全架构的设计。　　图九 纯 DSP 组合功能安全升级措施二　　与架构三的升级方案一相比，该方案将第一级过压检测移植到硬件比较器进行实现。图十所示方案中，DC-DC DSP 自身仅执行基本看门狗等监控，达到 ASIL A(D) 等级;两级的过压检测均由硬件实现：　　控制用电压采样(图十.a);　　硬件检测用电压采样(图十.b);　　硬件第一级慢速过压检测触发安全状态(图十.c);　　硬件第二级快速过压检测触发安全状态(图十.d);　　硬件监控层触发安全状态(图十.e);　　安全状态汇总触发驱动芯片关闭(图十.f);　　图十 架构三 功能安全系统框图二　　该方案有三个局限性：　　硬件冗余关断与自检　　硬件过压慢速保护提供冗余关断路径，必须通过关断路径自检覆盖潜伏失效;该保护路径的自检可能显著延长上电时间，需在安全覆盖与启动性能间取得平衡。　　硬件过压滤波的响应　　硬件 RC 滤波下，触发时间随过压幅值增大而缩短，无法实现软件的延时一致性;若采用该方案则滤波参数须与客户共同定义并达成一致，避免因响应差异导致鲁棒性问题。　　图十一 硬件滤波时间示例　　欠压保护功能安全实现　　欠压保护采用冗余硬件实现难度较大，部分 DC-DC 要求不带小电池启动，一般由软件实现故障检测。　　在电源系统升级的实际落地中，升级方案一采用系统集成与开发简化的设计思路：通过复用现有 MCU 资源实现高功能安全要求，无需额外使用高安全等级的 MCU，从而降低 BOM 成本和开发投入。该方案将软件及系统架构的改动限制在可控范围内，显著缩短开发周期。此外，该设计支持 OBC 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国产首款霍尔双码道游标算法磁编码器发布，纳芯微实现双技术路线编码器布局
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　　近日，纳芯微正式推出双码道游标算法磁编码器芯片NSM350x系列。作为国产首款基于霍尔原理的双码道游标算法磁编码器产品，NSM350x系列可实现高精度单圈绝对值角度检测，进一步丰富纳芯微在高精度角度检测领域的产品布局。　　随着NSM350x系列发布，纳芯微成为国内首家同时拥有磁感应与电涡流感应两种技术路线双码道游标算法编码器产品的芯片企业。　　其中，NSM350x系列基于霍尔磁感应原理，此前推出的MT6901则基于电涡流感应原理。两类产品可针对不同应用场景、安装结构及性能需求，为客户提供更加丰富的角度检测解决方案。　　纳芯微基于磁感应与电涡流技术的　　双码道游标编码器产品组合　　近年来，机器人、工业自动化及智能装备等应用快速发展，高精度角度检测已成为提升运动控制性能的重要基础。尤其是在机器人关节向小型化、高自由度和中空化结构方向演进的过程中，编码器不仅需要具备更高检测精度，还需兼顾安装空间、结构灵活性与长期可靠性。　　针对上述需求，NSM350x系列采用差分霍尔检测架构，结合双码道游标磁环，实现单圈绝对值角度检测，同时集成了纳芯微在磁性角度编码器产品方向上多年积累的自校准算法，提供客户端简便的自校准功能，以消除由元器件失配、机械结构、安装偏差与磁环充磁不均匀等带来的影响。　　相比传统方案，产品支持磁环与芯片离轴安装，为中空关节及工业运动控制系统提供更大的机械设计自由度。同时，产品按照AEC-Q100车规级标准设计，可为工业自动化、机器人及汽车电子等应用提供长期稳定可靠的运行保障。　　依托NSM350x系列，纳芯微进一步完善了覆盖在轴与离轴应用场景的角度检测产品矩阵。结合此前推出的电涡流双码道游标算法编码器产品，公司已形成涵盖磁感应与电涡流感应两大技术路线的位置检测解决方案，可根据不同应用对于精度、成本、安装结构及环境适应性的需求，为客户提供更灵活的选型空间。　　纳芯微面向机器人关节的多元角度检测解决方案　　高精度绝对值角度检测能力　　在性能方面，NSM350x系列内部集成差分霍尔传感器，可检测垂直于芯片表面的磁场变化，并通过双码道游标算法实现高精度角度测量，绝对角度分辨率最高可达22 bit。在简洁自校准模式下，积分非线性(INL)典型值为±0.3°;在匀速自校准模式下，INL典型值为±0.1°，帮助客户在校准效率和检测精度之间实现灵活平衡。　　灵活适配不同尺寸与结构设计　　NSM350x系列提供多种磁间距配置，其中NSM3500、NSM3501和NSM3502分别对应1.28 mm、1.5 mm和2mm磁间距游标磁环。　　同时，产品兼容16、32和64对极外码道设计，可满足不同尺寸的机器人关节模组及工业控制系统的应用需求。　　注：目前NSM3502开放样片申请，同系列其他产品暂未开放。　　丰富接口与宽电压支持　　NSM350x系列支持ABZ、SPI、PWM、UART及UVW等多种输出接口，兼容3V至5.5V宽电压输入范围，并通过AEC-Q100车规级认证，同时支持硬件复位功能，可进一步提升系统运行稳定性与可靠性。
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国际权威认证 | 纳芯微NSSine™实时控制MCU获ISO 26262 ASIL B认证，筑牢车载电机电源安全底座
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国际权威认证 | 纳芯微NSSine™实时控制MCU获ISO 26262 ASIL B认证，筑牢车载电机电源安全底座

　　近日，纳芯微NSSine™系列实时控制MCU/DSP——中端算力NS800RT5/3 系列 正式通过德国DEKRA颁发的ISO 26262 ASIL B功能安全产品认证(证书编号：ZP/C059/26)。该认证由国际独立第三方权威机构完成全面评估与验证，标志着NSSine™系列在车规级领域的又一重要里程碑，可为车载充电机(OBC)、DC-DC变换器、汽车空调压缩机、热管理系统、充电桩等汽车电子应用提供经过验证的高可靠实时控制解决方案，进一步助力客户加速车规产品开发与量产落地。　　国际权威认证，筑牢车规安全基石　　ISO 26262是全球汽车行业公认的功能安全标准，针对道路车辆中电子电气系统的安全性提出了严格的开发流程与验证要求。ASIL(汽车安全完整性等级)从A到D分为四级，ASIL B 是车载充电机(OBC)、DC-DC变换器、空调压缩机、热管理系统等应用常见的功能安全等级要求，是车载MCU进入主流汽车供应链的关键准入门槛。　　本次认证由德国DEKRA Testing and Certification GmbH独立完成评估与测试，认证依据ISO 26262:2018第2、5、8、9部分要求开展，覆盖产品设计、安全机制及相关硬件要求。　　NS800RT3/5系列以SEooC(Safety Element out of Context，脱离上下文安全元件)形式通过认证，可作为安全元件集成至满足ASIL B要求的汽车系统中。根据认证要求，客户可结合产品安全手册完成安全机制配置，并基于系统安全目标开展整车级功能安全验证。　　实时控制 x 功能安全　　打造车载电源与热管理可靠平台　　中端算力NS800RT5/3系列是NSSine™实时控制MCU/DSP产品矩阵的重要成员，面向车载充电机(OBC)、DC-DC变换器、汽车空调压缩机、热管理系统、充电桩等汽车电子应用场景。　　在汽车闭环控制系统中，作为核心"决策与执行中心"，承担数据采集与验证、控制算法运算、指令输出与监控、故障诊断与响应等关键任务。　　此外，产品内置44个基础ASIL B安全功能模块，包括Cortex-M7处理器安全机制、Flash/SRAM ECC校验、CRC校验等。并定义了三项顶层安全目标(TLSR)，覆盖：　　• 避免MCU输出异常控制值导致受控对象出现非预期动作;　　• 正确检测反馈系统输出，避免影响闭环控制;　　• 保证通信交互系统正常运行，避免异常功能触发。　　当检测到相关故障时，芯片可在故障容忍时间间隔(FTTI)≤100ms内进入安全状态，包括芯片复位或ERRORSTS故障信号触发，从而提升系统整体安全可靠性。　　持续深耕功能安全　　构建车规级产品矩阵　　功能安全是车规级芯片进入全球主流汽车供应链的核心门槛，也是纳芯微持续深耕的战略方向。　　2021年12月，纳芯微率先通过ISO 26262 ASIL D "Managed"(体系建立)级别认证;此后持续、系统性地推进功能安全研发能力建设及流程体系优化，并通过德国TÜV莱茵的严格审核，升级至ASIL D "Defined-Practiced"(体系实践)级别——成为国内少数在功能安全领域完成从"体系建立"到"体系实践"能力跃迁的芯片企业。纳芯微正以体系化的功能安全能力为底座，持续推出满足严苛标准的车规级芯片产品，为智能电动化时代的汽车安全保驾护航。
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