高壓數字控制應用中實現安全隔離與低功耗的解決方案

關鍵字 :Infineon 英飛凌 ISOFACE™數字隔離器 2DIBx4xxF

作者：英飛凌官微作者：
Jiaxin Tian 英飛凌高級產品應用工程師
Narayanaswamy Swaminathan博士
英飛凌產品工程師
Diogo Varajao博士英飛凌隔離IC技術營銷主管
在高壓應用中，實現有效的電氣隔離至關重要，它可以避免多餘的漏電流在系統中具有不同地電位（GPD）的兩個部分之間流動[1]。如圖1（左）所示，從輸入到輸出的DC返回電流可能導致兩個接地之間產生電位差，從而導致信號完整性降低、質量下降。這就是隔離器（即隔離式柵極驅動器IC[2]或數字隔離器）的用武之地，如圖1（右）所示。隔離器通過阻止電路兩部分之間的DC和不受控的AC電流流動，僅允許通信信號和功率通過隔離屏障。此外，隔離器還為人與高壓系統的交互提供了必要的保護，並提供了電平轉換功能，使不同電壓級別的系統之間可以互動。

圖1：系統兩部分之間的DC返回電流會產生多餘的接地迴路（左），而電氣隔離會通過斷開接地連接，來防止多餘的接地迴路（右）。

通常而言，隔離器大致可分為兩類：光隔離器和數字隔離器。

光隔離器，通常被稱為光耦，是一種模擬隔離產品，它利用光通過隔離屏障來傳輸信號。光隔離器因其問世早、價格具有競爭力，數十年來在業內被廣為使用。然而，LED的開關速度將可實現數據速率限制在了每秒幾兆比特。此外，光隔離器還需要使用額外的電路元件，來提供適當的偏置並驅動集成式LED。這要占用額外的PCB面積，並增加了應用的成本（BOM）。儘管現在的技術可以將外部偏置和驅動電路集成在一個封裝中，來最大限度地縮小PCB的尺寸、實現更高的速率，但這會大幅增加方案的成本。

另一方面，數字隔離器使用電容或電磁隔離技術，來傳輸信號。這些技術大幅縮小了隔離元件的尺寸，同時實現了較長的使用壽命[3]。與光隔離器相比，數字隔離器具有如下優勢，因此，近期已成為諸多應用的首選：

優化系統BOM物料成本，縮小PCB面積
準確的時序特性，更低的功耗
增強的共模瞬態抗擾度（CMTI）
可靠的絕緣壽命，獲得了元件級標準IEC 60747-17的認證
集成更多功能，例如：輸入濾波器、收發器（例如：CAN, RS-485）、輸出使能選項

表1：光隔離器和數字隔離器的主要區別

英飛凌第一代ISOFACE™數字隔離器2DIBx4xxF

為了滿足工業應用日益增長的隔離需求，英飛凌發布了其第一代雙通道數字隔離器，兼具高堅固性、精確的延時性能與低功耗。這款新產品採用了英飛凌的無芯變壓器（CT）技術專利。這項創新技術利用半導體製造工藝，集成了一個嵌入式變壓器，該變壓器包含金屬線圈，由二氧化矽絕緣屏障進行隔離（如圖2所示）。這種方法可以通過耦合變壓器傳輸信號。

此外，該產品還集成了抖動濾波器、通信調製、看門狗和欠壓鎖定（UVLO）等功能，哪怕在存在嚴重的高壓和嘈雜的工業環境中，也能確保穩健、安全的數據傳輸。

圖2：英飛凌ISOFACE™數字隔離器2DIBx4xxF使用的無芯變壓器的截面圖

不同產品型號具有不同的通道配置、失效安全默認輸出狀態，以及可變或固定的輸入閾值，詳見表2。

該雙通道數字隔離器系列通過了器件級UL-1577和IEC 60747-17（VDE 0884-17）標準認證，並且還具有系統級認證，例如：針對電信和服務器應用的IEC 62368-1。其爬電距離和空間距離為4mm，非常適用於需要基本隔離的應用，例如：低壓DC-DC塊、高邊浮動驅動器，以及隔離式UART/CAN通信。

表3總結了英飛凌ISOFACE™雙通道數字隔離器的特點以及為客戶帶來的優勢：

表3 ISOFACE™雙通道數字隔離器的功能與優勢

▎ISOFACE™雙通道數字隔離器的應用示例

隔離式低壓DC-DC模塊

低壓DC-DC電源模塊廣泛應用於電信和服務器開關模式電源（SMPS），旨在實現穩定的12-V_DC輸出[4]。為了滿足對更高功率密度、更強安全性，以及通信能力的日益增長的需求，800W以上的隔離式DC-DC模塊主要採用全橋到全橋（FB-FB）拓撲結構，由位於主電源變壓器次級側的數字控制器控制。為確保輸入到輸出的安全隔離，通常使用具有基本絕緣功能的數字隔離器，來傳輸PWM柵極控制信號。

以圖3為例，圖中顯示了英飛凌的隔離式1kW DC-DC模塊解決方案，它利用次級側XDP™ XDPP1100數字功率控制器，來控制初級側全橋拓撲結構。PWM信號通過ISOFACE™雙通道數字隔離器2DIB0410F進行傳輸。

電源轉換器的兩側均使用電平轉換EiceDRIVER™ 2EDL802x柵極驅動器IC。數字隔離器的兩個通道傳輸互補的PWM信號，用於對全橋對角線上不同橋臂的兩個OptiMOS™功率MOSFET進行控制。不僅如此，ISOFACE™ 2DIB0410F還提供一個固定的TTL輸入閾值，不受SMPS 應用V_DD電源線上的噪聲影響。默認的低輸出狀態可確保當數字隔離器的輸入側供電低於欠壓鎖定電壓（UVLO）時，安全關斷所有MOSFET。

圖3：使用ISOFACE™ 2DIB0410F的隔離式低壓DC-DC模塊

隔離CAN和UART通信

控制器局域網（CAN）和通用異步收發器（UART）通信被廣泛應用於工業和汽車應用。其共同優勢在於，物理層只需一對連接線（兩條通信線）即可進行數據通信。

當需要確保隔離CAN或UART接口的安全性或防止噪聲干擾時，ISOFACE™雙通道數字隔離器2DIB1401F便脫穎而出，成為電氣隔離的理想選擇。

這款可靠的隔離器可提供高共模瞬態抗擾度（CMTI）和極低的脈寬失真（PWD），而這些都是實現可靠通信所需的關鍵特性。此外，隔離器默認的高輸出狀態，即便在發生故障時，也可確保通信線路（在空閒狀態通常處於邏輯高電平）暢通無阻，從而防止輸入側出現潛在的電源損失。

圖4顯示了隔離式CAN接口的一個示例（與英飛凌的CAN收發器TLE9251一起使用）。ISOFACE™ 2DIB1401F位於控制器和收發器之間，用於提供電氣隔離。

圖4：使用ISOFACE™ 2DIB1411F的隔離式控制器局域網（CAN）通信

GaN IPS半橋的功能隔離

最近，650 V 氮化鎵（GaN）HEMT在SMPS設計中的重要性與日俱增，這要得益於它可以以更高的開關頻率工作，同時顯著降低能耗。此外，將氮化鎵開關與集成柵極驅動器整合到一個封裝中的GaN集成功率級（IPS），在打造具有更高功率密度、更少元器件以及最小寄生效應的設計方面，正在成為越來越受歡迎的選項。

為確保高邊GaN IPS正常運行，由於柵極驅動器參考開關中點，必須使用數字隔離器來為柵極驅動器執行電平轉換功能。由於GaN HEMT能夠產生高達100 V/ns的快速dv/dt切換，因此，可能會產生高共模瞬變，因此需要使用一個可靠的解決方案。ISOFACE™數字隔離器就適用於這種情況，它可以提供最小100 V/ns的CMTI，並確保PWM信號的可靠傳輸。

圖5展示了使用ISOFACE™雙通道數字隔離器2DIB1410F用於高邊浮動驅動的示例。它使用了一個正向數據通道，來傳輸柵極信號，同時使用反向通道將故障反饋信號傳送至控制器。

為低邊GaN IPS選擇另一個ISOFACE™ 2DIB1410F同樣可取。為了平衡高邊和低邊信號路徑之間的傳播延遲，以及為GaN IPS（功率地）和控制器（數字地）的不同接地提供隔離，我們強烈推薦這一方式。

圖5：ISOFACE™ 2DIB1410F提供的GaN IPS半橋功能隔離

▎結論

總而言之，英飛凌先進的ISOFACE™數字隔離器集低電流消耗、改進的共模瞬態抗擾度和高傳播延遲精度為一體，是高壓數字控制應用的堅固而又可靠的選擇。當與英飛凌的XDP™數字控制器、EiceDRIVER™柵極驅動器IC以及功率開關（例如：OptiMOS™、CoolMOS™、CoolSiC™和CoolGaN™）產品組合聯用時，便可打造一個完整的系統解決方案，滿足現代電力電子應用日益增長的隔離需求。

利用這些前沿技術，英飛凌的客戶將能從較高的電源安全性、更好的系統性能以及更高的可靠性中獲益，並滿足高壓數字控制應用日益增長的隔離需求。

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參考文獻

[1] D. Varajao, C. Menditti Matrisciano, “Isolated gate driving solutions – Increasing power density and robustness with isolated gate driver ICs,” Infineon Technologies AG, Application Note v1.1, AN_1909_PL52_1010_201256, June 2022

[2] C. Menditti Matrisciano, T. Beer, D. Varajao, Infineon Technologies AG, “Using the EiceDRIVER™ 2EDi product family of dual-channel functional and reinforced isolated MOSFET gate drivers,” Infineon Technologies AG, AN_1805_PL52_1806_095202, 2019

[3] W. Frank, H. Rettinger, “New International Standard for Magnetic and Capacitive Couplers,” Bodo’s Power Systems, November 2020, p. 40-43

[4] D. Varajao, C. Menditti Matrisciano, “Dual-channel isolated EiceDRIVER™ 2EDF7275K in telecom bricks – Application example in a 600 W quarter-brick 48 V to 12 V full-bridge to full-bridge rectifier evaluation board,” Infineon Technologies AG, AN_2002_PL52_2003_165036, 2020

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