【導讀】電器產品都會用到電源，常見的電源包括調壓電源、開關電源、逆變電源、變頻電源、不間斷電源等。大部分電源都需要有隔離器件，以保證設備和人身安全。因采用的隔離技術不同，隔離效果也不一樣。因此，選擇隔離產品應該揚長避短，盡可能將系統(tǒng)性能做到最佳。
01 電源為什么需要隔離
這是一個老生常談的問題，目的是避免電源的高壓電對人體產生危害。新能源汽車就是常見的高壓電源場景，電池電壓是400V或新出現(xiàn)的800V，如此高的電壓會對人體產生危害；充電樁亦是如此，它將交流電轉換為高壓直流電，也需要將高低壓隔離開來，這就需要用到隔離器件。
又如，光伏或數(shù)據(jù)中心的服務器電源、工業(yè)變頻伺服應用以及一些工業(yè)電源模塊或儲能裝置，這些常見的高壓電源場景除了要避免高壓對人體的危害，還要滿足相應的安規(guī)要求。
另外，對于一些不共地的系統(tǒng)，如半橋拓撲的上管驅動也需要隔離；此外，雖然一些系統(tǒng)本身并不需要隔離，但為了提升性能，需要將高壓側的高噪聲來源與低壓側隔離開，以減少控制器端的干擾。
02 隔離的要求和分類
隔離有嚴格的安規(guī)認證，常見的是美國的UL認證、德國VDE認證以及電工協(xié)會的IEC認證等。安規(guī)認證包括兩類，一類是系統(tǒng)級，如IEC60065、IEC60950等；另一類是器件級，如UL1577以及IEC60747標準。IEC標準從安全角度定義了三個等級能量源，都是以電壓電流大小作為分級依據(jù)，實施相應的保護措施。值得一提的是，納芯微的所有隔離產品都通過了UL、CUL以及VDE、CQC安規(guī)認證。
電源系統(tǒng)中應用非常廣泛的是隔離芯片，例如，在車載充電機OBC/DC-DC系統(tǒng)中，高壓電池充電輸入側是220V到380V，輸出側為400V或800V；低壓電池充電是12V到48V，其中包括PFC和LLC兩級拓撲。整個系統(tǒng)拓撲比較復雜，往往會采用兩顆MCU做主控，兩個MCU之間的通信便需要進行隔離。此外，這些拓撲中的功率管，不管是Si MOSFET還是第三代半導體器件，都需要相應的驅動，也需要進行隔離。
另外，根據(jù)系統(tǒng)的控制精度要求，電壓采樣、電流采樣以及系統(tǒng)的對外通信也需要隔離。
03 常見的幾種隔離技術及要求
目前，行業(yè)采用的隔離技術有三種：傳統(tǒng)光耦、磁耦和容耦技術。傳統(tǒng)光耦技術應用最廣泛、歷史最長。它以光為介質將輸入信號耦合到輸出端，但是體積較大，傳輸速度較慢，隨著使用時間的增長會出現(xiàn)光衰，且工作溫度范圍較窄。磁耦和容耦是目前比較主流的隔離技術。磁耦耐壓高、傳輸速度快、溫度范圍寬，但工藝復雜，有EMI輻射；容耦耐壓高，傳輸速度快，傳輸延遲僅為二三十納秒，工作溫度范圍非常寬，工藝并不復雜，具有很高的可靠性。
納芯微的隔離芯片便是基于容耦技術，采用Adaptive OOK?自適應編碼技術，EMI輻射低，誤碼率低，還能有效提高隔離器件抗共模噪聲（CMTI）的能力。
隔離產品的重要指標包括：隔離耐壓等級、CMTI能力、EMC性能以及傳輸延遲和工作溫度、隔離壽命等。納芯微隔離產品的隔離電壓等級高達10kV，CMTI至少100kV/μs；抗浪涌超過10kV，雙邊ESD超過15kV。
04 電源系統(tǒng)的趨勢和應用難點
1. 電源系統(tǒng)的趨勢
● 高集成化：電源系統(tǒng)正往更高集成度的趨勢發(fā)展，因此也需要更高集成度的IC，例如將電源和數(shù)字隔離器集成在一起，以降低工程師設計隔離電源的復雜程度。
● 高壓化、高頻化：光伏系統(tǒng)已從800V轉到1500V，第三代半導體（氮化鎵或碳化硅）的應用也越來越廣泛，系統(tǒng)開關頻率越來越高，速度越來越快。隔離產品需要有更高的CMTI能力，能承受更高電壓，EMI性能更好。
● 高可靠性：隔離芯片均需要通過嚴格的安規(guī)認證。
2. 電源系統(tǒng)的應用難點
電源系統(tǒng)的應用難點在于，第三代功率器件對驅動芯片提出了更高的要求，如CMTI大于100kV/μs水平。由于碳化硅驅動電壓更高，要求驅動器輸出電壓范圍擺幅更寬。此外，產品開關速率要更快，并降低開關損耗，驅動器具有輸出更大的Source或Sink電流能力，芯片內部上升或下降時間更短，傳輸延時更小。
碳化硅驅動芯片的新功能是“米勒鉗位”，隨著SiC的開關，橋臂中點有很大dv/dt，下管Cgd電容會產生一個米勒電流，即使下管處于關斷狀態(tài)，也會通過下管關斷電阻產生一個壓降。考慮到碳化硅器件的導通閾值比較低（2V左右），如果壓降較大會造成下管誤導通，系統(tǒng)就會有短路風險。
“米勒鉗位”功能可以應對碳化硅應用中的這個問題。在芯片中增加一個MOSFET可以直接將GND和碳化硅柵極相連，當下管關斷后，會跳過下管驅動電阻，直接將柵極短路到GND，以此消除米勒電流造成的壓差，從而避免米勒效應導致下管誤導通的風險。
納芯微的隔離類產品
納芯微的隔離產品品類非常齊全，包括數(shù)字隔離器、隔離驅動、隔離電壓/電流采樣、隔離CAN收發(fā)器。驅動方面，不管是MOS、IGBT還是碳化硅，都有相應的隔離產品。采樣方面，既有模擬輸出隔離運放，也有數(shù)字輸出隔離ADC，滿足不同應用場景對采樣率和采樣精度的要求。接口方面，隔離I2C接口、485或CAN接口產品都很豐富，能夠為客戶的電源設計提供一站式解決方案。
納芯微的產品采用容耦技術，順應了當前集成化、高壓化、可靠性的電源應用趨勢，滿足第三代功率器件對驅動芯片提出的更高要求。其隔離產品品類非常齊全，包括數(shù)字隔離器、隔離驅動、隔離電壓/電流采樣、隔離CAN收發(fā)器，能夠為工程師提供多樣化的選擇。
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