滿足汽車電氣隔離要求的數(shù)字隔離器

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英飛凌AEC-Q100認(rèn)證

ISOFACE? 數(shù)字簡介隔離

電流隔離提供電平轉(zhuǎn)換功能，提高電氣噪聲抗擾度，并確保高壓（HV） 汽車應(yīng)用的安全性。滿足不斷增長的電氣隔離要求汽車（EV）應(yīng)用，英飛凌科技推出第一代ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，在確保精確定時的同時提供高穩(wěn)健性性能和低功耗。

1.1

隔離技術(shù)

首款數(shù)字隔離器系列采用英飛凌獲得專利的無磁芯變壓器（CT）技術(shù)，可隔離信號跨越不同的電壓域。它是一種磁耦合隔離技術(shù)，它使用集成由金屬螺旋組成的片上變壓器的半導(dǎo)體制造工藝由二氧化硅 (SiO2) 絕緣屏障隔開。如圖 1 所示。片上無磁芯變壓器用于在輸入和輸出芯片之間傳輸信號。此外，還有毛刺濾波器、集成了通信調(diào)制、看門狗和欠壓鎖定(UVLO), 以確保穩(wěn)健且即使在存在高電壓和噪聲的關(guān)鍵工業(yè)環(huán)境中，也能實現(xiàn)故障安全數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 英飛凌CT的橫截面，

用于ISOFACE?  數(shù)字隔離器產(chǎn)品

1.2

產(chǎn)品特色

英飛凌的 ISOFACE? 數(shù)字隔離器 4DIRx4xxHA 符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，旨在滿足具有挑戰(zhàn)性的汽車應(yīng)用中的要求，并具有以下功能：

• 高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI），超過 100 kV/μs

• 提供高或低故障安全默認(rèn)輸出選項

• 2.7 至 6.5V 的寬工作電源電壓（絕對最大值為 7.5V ）

• 精確的定時性能，具有 26 ns 的典型傳播延遲和 -5/+6 ns 擴展

• 低功耗，3.3 V 和 1 Mbps 時最大電流為 6.4 mA

• 比較漏電起痕指數(shù)（CTI）大于 600 V 和材料組 I

1.3

產(chǎn)品概述

具有不同通道配置、故障安全默認(rèn)輸出狀態(tài)和輸出使能的產(chǎn)品型號極性可用，如表 1 所示。

表1   英飛凌ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器系列的產(chǎn)品型號

合適的目標(biāo)應(yīng)用是：

• 汽車應(yīng)用中的隔離式串行外設(shè)接口（SPI）

• 混合動力、電動和動力總成系統(tǒng)（EV/HEV）

• 車載充電器（OBC）

• DC-DC轉(zhuǎn)換器

• 牽引逆變器

• 變頻器和電機控制

• 電池管理系統(tǒng)（BMS）

2

ISOFACE?數(shù)字隔離器選型指南

從ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器系列中找到合適的器件并不困難，因為他們已經(jīng)做到了某些共同功能，但在不同的通道配置和默認(rèn)輸出狀態(tài)下要滿足各種汽車應(yīng)用的要求。但是，有一些重要的注意事項在選擇合適的數(shù)字隔離器時，取決于應(yīng)用要求。

數(shù)據(jù)速率

ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器系列提供最大40 Mbps的單數(shù)據(jù)速率，即適用于開關(guān)電源(SMPS)應(yīng)用中的柵極驅(qū)動信號隔離和隔離汽車應(yīng)用中的低速/中速通信接口。表2 總結(jié)了適用于給定數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用程序。

表2 適用于最大 40 Mbps 數(shù)據(jù)速率的 

ISOFACE? 數(shù)字隔離器

隔離規(guī)范要求

隔離耐壓，以及爬電距離、電氣間隙、CTI 和污染程度，是主要用于為應(yīng)用選擇合適的數(shù)字隔離器的參數(shù)。例如，英飛凌的 ISOFACE? 4DIRx4xxH 數(shù)字隔離器具有至少 8 mm 的爬電距離和電氣間隙。超過 600 V 的 CTI 可承受 5700 VRMS 隔離電壓（VISO），符合 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)。他們是適用于需要加強隔離的汽車應(yīng)用。表 3 給出了隔離的概述ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器的規(guī)格。

表3   ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器的隔離規(guī)格

通道配置

確定通道配置意味著選擇通道數(shù)量及其方向。例如，一個4+0（4個正向通道）四通道數(shù)字隔離器適用于隔離式柵極驅(qū)動信號傳輸（例如，低側(cè)和高側(cè)開關(guān)）在電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如半橋或全橋。A 3+1（三正向和一個反向）四通道數(shù)字隔離器通常需要用于SPI通信。另一方面手，2+2（兩個前進和兩個后退）可用于表4總結(jié)了ISOFACE?四通道數(shù)字通道的不同可能通道配置隔離器及其相應(yīng)的應(yīng)用。

表4   ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器的

通道配置及應(yīng)用

故障安全默認(rèn)輸出狀態(tài)

故障安全默認(rèn)輸出狀態(tài)指示數(shù)字隔離器的輸入通道未通電或輸入引腳斷開。這是選擇合適的數(shù)字隔離器的重要標(biāo)準(zhǔn)取決于應(yīng)用。通常，當(dāng)數(shù)字隔離器用于隔離柵極驅(qū)動信號，例如在SMPS應(yīng)用中。數(shù)字隔離器的輸出保持不變每當(dāng)輸入端發(fā)生任何錯誤時，安全關(guān)閉。另一方面，用于隔離通信接口，最好具有默認(rèn)的高輸出，因為大多數(shù)通信總線被定義為高電平總線處于空閑狀態(tài)時的邏輯電平。表 5 顯示了不同的首選默認(rèn)輸出狀態(tài)應(yīng)用。

表5   ISOFACE?數(shù)字隔離器針對不同應(yīng)用的

首選默認(rèn)輸出狀態(tài)

共模瞬態(tài)抗擾度

CMTI被定義為數(shù)字隔離器承受電位差快速變化的能力。較高的CMTI值（通常以kV/μs為單位）表明采用穩(wěn)健的隔離技術(shù)和無故障即使在高開關(guān)頻率下快速瞬變的臨界條件下也能傳輸數(shù)據(jù)。ISOFACE?汽車級四通道數(shù)字隔離器提供100 kV/μs的基準(zhǔn)最高CMTI目前市場上的最小值，是使用 SiC/GaN 的高功率密度設(shè)計的最佳選擇可能具有高 dv/dt（超過 100 kV/μs）和具有高共模噪聲的電機控制應(yīng)用。

圖2概述了如何從ISOFACE?汽車數(shù)字隔離器中選擇合適的器件根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)和應(yīng)用要求。

圖2   ISOFACE?汽車級四通道數(shù)字隔離器選型指南

3

PCB設(shè)計指南

3.1

PCB材料

由于英飛凌的四通道數(shù)字隔離器的最大數(shù)據(jù)速率為 40 Mbps，因此常用的 FR-4材料適用于PCB。其特點是吸濕性小，絕緣可靠相當(dāng)大的機械強度使其優(yōu)于替代品。

3.2

板層堆棧

為了在使用高達 40 Mbps 的高數(shù)據(jù)速率的數(shù)字隔離器的系統(tǒng)上實現(xiàn)低 EMI 性能，它是強烈建議采用四層PCB設(shè)計設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用板，描述為遵循：

• 第 1 層：高速層

  該層用于高速信號走線，例如信號輸入和信號輸出。

• 第 2 層：地層

  中間放置一個接地層以提供屏蔽效果。

• 第 3 層：電源層

  該層用于數(shù)字隔離器的所有電源走線。

• 第 4 層：低速或接地層

  如果沒有可用的低速信號走線，則可以將該層設(shè)計為接地層以提供更好的效果屏蔽。

圖層堆疊如圖 3 所示：

圖3  使用數(shù)字隔離器對系統(tǒng)設(shè)計進行層疊

3.3

布局注意事項

為了在高數(shù)據(jù)速率的高壓應(yīng)用中設(shè)計ISOFACE?數(shù)字隔離器，有一些重要的布局確保安全、無故障的數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖⒁馐马棥Ｈ鐖D 4 所示，以 ISOFACE? 為例4DIR1400HA，數(shù)字隔離器需要連接到高走線、電源和靜音接地。

圖4  采用ISOFACE?數(shù)字隔離器的設(shè)計布局注意事項

有一些規(guī)則需要遵守，總結(jié)如下：

• 將實心電源島直接放置在電源 VDD 引腳上，以減少走線，作為具有高峰值的電流流入 VDD 引腳，尤其是在高數(shù)據(jù)速率下。

• 將高頻旁路電容放置在盡可能靠近 VDD 和 GND 引腳的位置。它高度建議在高數(shù)據(jù)速率下在兩側(cè)使用兩個 100 nF 和 1 μF 旁路電容，以實現(xiàn)平滑輸出信號。

• 將實心接地島直接放置在接地引腳上，以幫助通過 PCB 散熱。

• 在頂層路由高速信號，避免使用通孔來減少寄生效應(yīng)，因為寄生效應(yīng)可能耦合噪聲并影響數(shù)據(jù)傳輸。

• 將低速信號路由到底層，因為它們可以容忍更多的寄生效應(yīng)。

4

ISOFACE?汽車數(shù)字的典型應(yīng)用隔離

ISOFACE?數(shù)字隔離器為高壓汽車應(yīng)用提供功能和安全隔離。與非隔離式柵極驅(qū)動器一起，它們是SMPS的首選，具有高度的靈活性和集成度通信，尤其是與 GaN-IPS 的通信。與收發(fā)器一起或獨立使用，它們適用于隔離通信接口。

4.1

使用汽車四通道數(shù)字隔離器的應(yīng)用

ISOFACE?四通道汽車數(shù)字隔離器具有寬電源范圍、高CMTI和CTI等特點超過 600 VRMS，可在 SMPS 應(yīng)用和汽車應(yīng)用中的隔離式通信接口。

使用 4DIR1400HA 的 EV 中的 OBC

OBC是電動汽車最重要的部分。它是一種 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，可提供穩(wěn)定的 HV DC 輸出，以為板載電池充電。由于高效率是一個關(guān)鍵參數(shù)，因此數(shù)字控制器被廣泛使用，因為它們提供更靈活的控制機制和通信能力。確保輸入到輸出的安全性隔離，通常使用具有增強型隔離的數(shù)字隔離器來傳輸PWM柵極控制通過隔離柵進行信號和附加通信。

圖5   采用4DIR1400HA的雙向單相雙有源橋（DAB）轉(zhuǎn)換器

例如，圖5顯示了英飛凌的OBC解決方案，該解決方案采用AURIX?微控制器初級側(cè)用于控制功率因數(shù)校正 （PFC） 級和 DAB HV DC-DC 轉(zhuǎn)換器。全橋整流柵極驅(qū)動信號（高側(cè)和低側(cè)）通過兩個傳輸?shù)酱渭墏?cè)汽車數(shù)字隔離器4DIR1400HA的正向通道。另外兩個通道用于輸出控制和反饋用于保護。

隔離式CAN通信

控制器局域網(wǎng)（CAN）通信已廣泛應(yīng)用于汽車應(yīng)用。它有優(yōu)點是物理層只需要一對電纜（兩條通信線路）即可進行數(shù)據(jù)傳輸。在隔離式CAN接口中確保安全或防止噪聲干擾時具有待機模式控制等附加功能，ISOFACE?四通道數(shù)字隔離器4DIR2401HA 是提供電流隔離的首選。這種可靠的隔離器提供高CMTI以及極低的脈寬失真 （PWD），這是實現(xiàn)可靠通信的關(guān)鍵特性。此外，隔離器的默認(rèn)高輸出狀態(tài)可確保通信線路（通常在邏輯中在空閑狀態(tài)下為高電平）即使在發(fā)生故障時也將保持暢通狀態(tài)，從而防止?jié)撛诘碾娫摧斎雮?cè)的電源損耗。兩個通道（一個正向和一個反向）用于CAN通信;另外兩個通道可用于GPIO目的，例如待機或模式控制。與英飛凌的汽車CAN收發(fā)器TLE9251一起，隔離式CAN接口的一個例子是如圖 6 所示。ISOFACE? 4DIR2401HA 放置在控制器和收發(fā)器之間，以提供電流隔離。

圖6  使用ISOFACE? 4DIR2401HA的隔離式CAN通信

使用 4DIR1421HA 的隔離式 SPI 通信

SPI 是微控制器和外圍 IC（如傳感器或汽車應(yīng)用中的存儲器件。當(dāng)系統(tǒng)之間發(fā)生通信時不同的接地，數(shù)字隔離器是隔離的首選。圖 7 顯示了典型的隔離式 SPI，使用ISOFACE? 3+1 數(shù)字隔離器 4DIR1421HA。通過主側(cè)的負(fù)使能引腳 /EN1，它可以直接連接到主設(shè)備的 /CS 引腳。這減少了對逆變器的需求。

圖7 使用4DIR1421HA的隔離式SPI通信

汽車數(shù)字隔離器，結(jié)合英飛凌全面的AURIX?微控制器產(chǎn)品組合，汽車EiceDRIVER?門驅(qū)動器 IC 和電源開關(guān)，如 OptiMOS?、CoolMOS?、CoolSiC? 和 CoolGaN?，它們創(chuàng)造了一個完整的滿足現(xiàn)代汽車電力電子領(lǐng)域日益增長的隔離要求的系統(tǒng)解決方案應(yīng)用。

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