數(shù)字隔離技術在新能源汽車中的應用

　　引言

　　隨著世界能源危機的趨近，新能源驅動的汽車即將面臨批量生產入市，比如混合動力和電動汽車（HEV/EV）將400V和更高電壓的設計導入了汽車和交通領域。而在嚴酷的汽車環(huán)境中應對如此高的電壓和大的電流，就需要一個高度可靠且可長期穩(wěn)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來。

　　1 交通應用中的隔離要求

　　汽車、卡車和摩托車中采用的混合動力和電動傳動系統(tǒng)，在交通運輸產業(yè)引發(fā)了新的、前所未知的挑戰(zhàn)。原來的12V電壓網絡現(xiàn)在需輔之以400V或更高的電池和電源系統(tǒng)，從而對汽車OEM和系統(tǒng)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、用于驅動馬達的逆變器，以及連接到230V/380V電網的車載充電器模塊等混合動力/電動車內的全部功能，都提出了隔離要求（圖1）。

　　圖1：電動車典型系統(tǒng)架構。

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

　　同時，這些領域的成本壓力，將推動對更高系統(tǒng)整合度的要求，因此，具備隔離功能的單芯片產品，如CAN收發(fā)器、ADC或門極驅動器等組件就展現(xiàn)出了優(yōu)勢。

　　2 不同的數(shù)字隔離技術

　　原則上，有四種不同的數(shù)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。

　　光隔離技術使用透明絕緣隔離層進行光傳輸來實現(xiàn)光隔離。透過驅動LED（發(fā)光二極管），數(shù)字信號從電轉換成光。然后通過隔離層傳輸這個光信號，再用光學檢測組件（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)點是光對電場或磁場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。對混合動力/電動汽車應用來說，光隔離有限的壽命是一個主要缺點。隨著時間的推移，LED的效率將降低，從而需要加大信號驅動電流（通常從 10mA開始），所以，隨著時間的綿延，這種光隔離終將無法發(fā)揮功用。

　　電感隔離使用兩個線圈之間的磁場變化實現(xiàn)跨隔離勢壘 （isolation barrier）的通訊。電感隔離法的一個優(yōu)點是共模和差分傳輸間的不同，這意味著它的抗噪能力良好。這種方法的缺點是可能來自磁場的失真，對混合動力/ 電動汽車應用的馬達控制環(huán)境來說，這種失真很常見。

　　電容隔離利用穿越隔離勢壘的電場變化。電容隔離法的好處是對磁場的免疫力更強和長的系統(tǒng)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是沒有差分信號（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行編碼）。

　　3 隔離產品

　　一個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(tǒng)簡化架構圖。ISOxxxx組件在單一封裝內，整合兩個放置在分離型導線架上的裸晶，以及傳送和接收芯片。兩個裸晶間僅透過一條接合線連接。在接收器上實現(xiàn)的實際隔離功能，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可帶來高可靠性和長壽命的優(yōu)點。

　　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。

　　兩個信道同時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，并在過濾后透過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)器的輸入端對其進行檢測，最后經輸出緩沖器輸出該接收到的信號。它可實現(xiàn)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。