數字隔離技術(shù)在新能源汽車(chē)中的應用

　　引言

　　隨著(zhù)世界能源危機的趨近，新能源驅動(dòng)的汽車(chē)即將面臨批量生產(chǎn)入市，比如混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)（HEV/EV）將400V和更高電壓的設計導入了汽車(chē)和交通領(lǐng)域。而在嚴酷的汽車(chē)環(huán)境中應對如此高的電壓和大的電流，就需要一個(gè)高度可靠且可長(cháng)期穩定工作的方案，以便能有效地將此高壓和其它電子功能電路隔離開(kāi)來(lái)。

　　1 交通應用中的隔離要求

　　汽車(chē)、卡車(chē)和摩托車(chē)中采用的混合動(dòng)力和電動(dòng)傳動(dòng)系統，在交通運輸產(chǎn)業(yè)引發(fā)了新的、前所未知的挑戰。原來(lái)的12V電壓網(wǎng)絡(luò )現在需輔之以400V或更高的電池和電源系統，從而對汽車(chē)OEM和系統模塊供貨商提出了一系列全新要求。諸如高壓電池、DC/DC轉換器、用于驅動(dòng)馬達的逆變器，以及連接到230V/380V電網(wǎng)的車(chē)載充電器模塊等混合動(dòng)力/電動(dòng)車(chē)內的全部功能，都提出了隔離要求（圖1）。

　　圖1：電動(dòng)車(chē)典型系統架構。

　　與工業(yè)應用相較，汽車(chē)和運輸應用對隔離有著(zhù)不同要求。堅實(shí)可靠當然是必須的，而對磁“噪聲”也必須要有強大抵抗力。車(chē)內的大功率水平（如工作在400V的 100KW馬達，意味著(zhù)250A的工作電流）會(huì )在車(chē)內產(chǎn)生必須妥善處理的強磁場(chǎng)。所用零件的使用期限必須足夠長(cháng)以滿(mǎn)足車(chē)輛預期壽命要求；例如必須滿(mǎn)足大型運輸應用幾十年的使用要求。用于汽車(chē)環(huán)境的產(chǎn)品，將推動(dòng)對汽車(chē)應用質(zhì)量（Q1）的要求，以及要滿(mǎn)足-40至+125℃的工作溫度范圍。

　　同時(shí)，這些領(lǐng)域的成本壓力，將推動(dòng)對更高系統整合度的要求，因此，具備隔離功能的單芯片產(chǎn)品，如CAN收發(fā)器、ADC或門(mén)極驅動(dòng)器等組件就展現出了優(yōu)勢。

　　2 不同的數字隔離技術(shù)

　　原則上，有四種不同的數字隔離方法：光、電感式，電容式和射頻式。以下將介紹前三種方法。

　　光隔離技術(shù)使用透明絕緣隔離層進(jìn)行光傳輸來(lái)實(shí)現光隔離。透過(guò)驅動(dòng)LED（發(fā)光二極管），數字信號從電轉換成光。然后通過(guò)隔離層傳輸這個(gè)光信號，再用光學(xué)檢測組件（光電二極管、光電晶體管）將光信號轉換回電信號。

　　光隔離的主要優(yōu)點(diǎn)是光對電場(chǎng)或磁場(chǎng)具有免疫力及有可能輸送靜態(tài)信號。在隔離層的接收側（flipside），光隔離器的工作頻率（傳輸速度）受限于LED相對較慢的特性。對混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)，光隔離有限的壽命是一個(gè)主要缺點(diǎn)。隨著(zhù)時(shí)間的推移，LED的效率將降低，從而需要加大信號驅動(dòng)電流（通常從 10mA開(kāi)始），所以，隨著(zhù)時(shí)間的綿延，這種光隔離終將無(wú)法發(fā)揮功用。

　　電感隔離使用兩個(gè)線(xiàn)圈之間的磁場(chǎng)變化實(shí)現跨隔離勢壘 （isolation barrier）的通訊。電感隔離法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是共模和差分傳輸間的不同，這意味著(zhù)它的抗噪能力良好。這種方法的缺點(diǎn)是可能來(lái)自磁場(chǎng)的失真，對混合動(dòng)力/ 電動(dòng)汽車(chē)應用的馬達控制環(huán)境來(lái)說(shuō)，這種失真很常見(jiàn)。

　　電容隔離利用穿越隔離勢壘的電場(chǎng)變化。電容隔離法的好處是對磁場(chǎng)的免疫力更強和長(cháng)的系統壽命。電容隔離與電感隔離法的傳輸速度近似。

　　但電容隔離法的缺點(diǎn)是沒(méi)有差分信號（即：信號和噪聲共享同一信道）。另外，與電感隔離法一樣，它們都不能直接傳輸靜態(tài)信號（必須先與頻率信號進(jìn)行編碼）。

　　3 隔離產(chǎn)品

　　一個(gè)采用電容隔離法的例子是德州儀器的 ISOxxxx系列。圖2是ISO72xx系統簡(jiǎn)化架構圖。ISOxxxx組件在單一封裝內，整合兩個(gè)放置在分離型導線(xiàn)架上的裸晶，以及傳送和接收芯片。兩個(gè)裸晶間僅透過(guò)一條接合線(xiàn)連接。在接收器上實(shí)現的實(shí)際隔離功能，是采用基于二氧化硅（SiO2，即玻璃）的，以銅和摻雜硅為基板電極的電容（圖3）。使用SiO2可帶來(lái)高可靠性和長(cháng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。

　　圖2：TI的ISO 72xx系列架構圖。

　　圖3：TI的ISO72xx系列裸片照片，右側的接收器芯片上采用了二氧化硅隔離。

　　兩個(gè)信道同時(shí)允許直流和交流通訊，此外，它還具有故障防范功能。

　　基本AC信道使用輸入信號，并在過(guò)濾后透過(guò)由隔離電容組成的差分對傳輸該信號。然后，接收芯片上的施密特觸發(fā)器的輸入端對其進(jìn)行檢測，最后經(jīng)輸出緩沖器輸出該接收到的信號。它可實(shí)現非常高速的傳輸、輕微脈寬失真和短傳輸延遲，但不能發(fā)送DC信號。