超宽体封装数字隔离器让高压应用更高效可靠

       

近年来，在光伏、充电桩、新能源汽车、储能等新兴需求以及工控、电源、电力等传统应用有增无减的需求推动下，高压数字控制应用的隔离需求日益增长，高效率和高可靠性数字隔离器进入了需求旺盛期。

 

在高压系统中，必须通过隔离手段构建可靠的隔离栅，将敏感的电子元器件与快速瞬变的高压组件进行电气隔离，以保证电源安全性、更好的系统性能和更高的可靠性。这需要考虑很多因素，包括隔离额定值、爬电距离和电气间隙、共模瞬态抗扰度（CMTI）和电磁干扰（EMI）。

 

 

碳化硅（SiC）等宽禁带（WBD）器件和驱动产品在推进功率密度不断提升的同时，也对隔离提出了更高的要求。现在，数字隔离器已成为助力高压应用发挥巨大潜力的半导体器件之一，广泛应用于光伏、新能源车、工业自动化系统、隔离SPI、RS232、RS485、通用多通道隔离和电机控制等。

 

高压隔离遇到诸多挑战

随着工业和汽车领域对高可靠性、更长使用寿命和更高信号完整性的需求不断增长，给高压应用带来了一系列挑战：

 

高压功率转换必须在最大限度降低系统功率损耗的同时提高效率；高压隔离设计需要有坚固的隔离屏障来保证系统安全；而在恶劣的工作条件下，需要解决高压传感难以准确测量温度、电流和电压的问题。

 

另外，宽禁带功率器件的使用也使高压系统的低延迟实时控制变得至关重要。为此，随着电气化进程的不断推进，以及高压电源系统复杂性的日益提升，设计人员需要在确保正确隔离级别和系统安全的同时，提高产品的性能和使用寿命。

 

所谓数字隔离器是一种在电气隔离状态下实现信号传输的器件，具有高工作电压、低辐射、低功耗和高效率的特点，广泛应用于工业控制、电力能源、通信网络、仪器仪表、消费电子等各种电子系统设备中。

 

目前市场上有三种主流隔离方案：光耦隔离、电容隔离和磁耦隔离。

 

光耦是最早出现的隔离方式，它利用光的特性实现信号的单向传输。由于随时间推移的光衰，光耦存在老化效应的问题。

 

电容隔离利用电容效应消除信号的交叉干扰，具有低传播延迟，可以在超过150Mbps的速率下传输数据，消耗的偏置电流更少，但隔离边界两侧需要单独的偏置电源电压。电容隔离的最大优势是成本低，可以做成多路。

 

磁隔离则是通过磁场的屏蔽来隔离信号，在需要高频DC-DC电源转换的应用中具有优势，但其成本相对高一些。

 

超宽体封装应需而生

以光伏应用为例，除了需要单晶硅和多晶硅材料外，为了提升光伏组件的功率密度方面，已经将母线电压提高到1500V，这就需要更大爬电距离的隔离器件来满足国家标准GB4943.1-2022所规定的耐压性能和爬电距离要求。为此，一些宽体（SOP），甚至超宽体（DWW）封装应运而生，事实上，不同厂商对超宽体封装的命名有所不同。

 

超宽体数字隔离器是一种高可靠性隔离产品，具有高电磁抗扰度、低电磁辐射、低功耗的特性，能够承受更高的隔离浪涌电压。超宽体封装的爬电距离高达15mm，能够满足客户高压系统的安规要求，比如在光伏系统中，根据IEC 62109的标准要求，1500V系统增强绝缘条件下要求隔离器件的爬电距离＞14mm。

 

纳芯微推出的超宽体数字隔离器NSI82xx系列就是这样的产品，在提供15mm长爬电距离的同时，还具备优异的EMC性能，非常适用于光伏等对爬电距离有较高要求的高压系统。该器件可兼容替代其他一些厂商的高精度、高速、双向数字隔离器。

 

根据应用不同，NSI82xx系列产品分为NSI82xx-DSWWR/NSI82xx-Q1SWWR系列高可靠性、多通道超宽体数字隔离器。其中NSI82xx-DSWWR是工规产品，包括NSI822xWx-DSWWR (2通道)、NSI823xWx-DSWWR (3通道)、NSI824xWx-DSWWR (4通道)；NSI82xx-Q1SWWR是车规产品，包括NSI822xWx-Q1SWWR (2通道)、NSI823xWx-Q1SWWR (3通道)、NSI824xWx-Q1SWWR (4通道)。

 

NSI82xx-DSWWR系列超宽体数字隔离器已于2022年1月量产，目前已有电源、新能源车、电力、工业自动化、光伏系统、储能、充电桩等领域的客户在使用纳芯微的超宽体数字隔离器。

 

瞄准高效率、高可靠、多功能

以四通道的数字隔离器NSI824x系列为例，其已通过UL1577安全认证，可承受多种级别绝缘耐压（3kVrms、3.75kVrms、5kVrms和8kVrms），其中超宽体封装可提供高达8kVrms的绝缘耐压能力，数据速率高达150Mbps，CMTI高达200kV/μs（最小值）。

 

显示NSI824x高速性能的眼图

 

该系列器件提供数字通道方向配置和输入缺失时的默认输出电平配置；宽电源电压支持与大多数数字接口直接连接，易于进行电平转换；较高的系统级EMC性能提高了使用的可靠性和稳定性。

 

NSI824x系列采用电容隔离技术，数字信号由发射器侧的内部振荡器产生的RF载波调制，然后通过电容隔离传输，并在接收器侧进行解调。该调制采用纳芯微专利的Adaptive OOK调制技术，具有高抗噪性和低EMI的优点。

单通道功能框图和OOK调制

 

NSI824x系列的主要特性

NSI824x数字隔离器具有丰富的功能特性，具体如下：

• 绝缘电压：最高达8kVrms（超宽体封装）

• 数据传输速率：DC至150Mbps

• 电源电压：2.5V至5.5V

• 高CMTI：200kV/μs（最小值）

• 芯片级ESD：±8kV（人体模型）

• 强大的电磁兼容性（EMC）

• 系统级ESD、EFT和浪涌抗扰度

• 低电磁辐射

• 默认输出高电平或低电平选项

• 低功耗：1.5mA/ch（1Mbps）

• 低传播延迟：＜15ns

• 工作温度：-55℃～125℃

• 符合RoHS规范的封装：SOP16 (150mil/300mil/600mil)，SSOP16

 

NSI824x数字隔离器通过的安规认证如下：

• UL1577认证：绝缘电压最高达8kVrms（1分钟）

• CQC认证：符合GB4943.1-2011

• CSA认证：组件符合5A

• DIN VDE V 0884-11:2017-01增强型隔离认证

 

IPM的典型PWM隔离电路

 

PCB布局小贴士

在PCB布局时需要注意的是，NSI824x的VDD1和GND1、VDD2和GND2之间需要0.1μF的旁路电容器，电容器应尽可能靠近封装放置。在所推荐的PCB布局正面，需确保芯片下方的空间没有平面、迹线、焊盘和过孔。

 

推荐的PCB布局正面和背面

 

如果系统噪声过大，为了增强设计的稳健性，用户还可以使用与输入和输出串联的电阻器（50～300Ω）。串联电阻器还可提高系统可靠性，例如闩锁抗扰度。隔离器驱动通道的典型输出阻抗约为50Ω，±40%。当驱动传输线影响负载时，输出引脚应适当端接可控阻抗的PCB迹线。