以典型案例詳解數(shù)字隔離技術(shù)在電源中的應(yīng)用
傳統(tǒng)隔離方法采用光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)，據(jù)估算現(xiàn)在光耦隔離市場(chǎng)容量約為一年一百億個(gè)通道，光耦隔離已經(jīng)是非常成熟的方案，但光耦在應(yīng)用上有很多限制，比如工作溫度范圍窄、外圍電路復(fù)雜、體積大，以及寄生參數(shù)大和時(shí)序一致性差等缺點(diǎn)。
相對(duì)于光耦來(lái)說(shuō)，數(shù)字隔離在可靠度、功耗、尺寸和集成度上都有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，因此一經(jīng)推出就受到市場(chǎng)歡迎，近年來(lái)增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，搶占了不少原屬于光耦隔離的市場(chǎng)，現(xiàn)在年市場(chǎng)出貨量已經(jīng)達(dá)到數(shù)十億個(gè)通道，還在快速成長(zhǎng)中。
電源產(chǎn)品的主要功能就是在不同電壓標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行變換，其高低壓模塊一般需要進(jìn)行隔離處理，因此在電源產(chǎn)品中可以看到大量的隔離技術(shù)應(yīng)用。很多工程師開始接觸數(shù)字隔離時(shí)可能對(duì)具體應(yīng)用方法并不清楚，納芯微技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)針對(duì)電源應(yīng)用中的常見(jiàn)場(chǎng)景，例如快充適配器、GaN驅(qū)動(dòng)、車載充電、二次電源和板內(nèi)通信隔離等，進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)此感興趣的，可以參考如下的文字解讀，以及文末的視頻教學(xué)。
NSI812xD在塑封模塊電源GaN驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用
開關(guān)電源產(chǎn)品為了減小體積、提升功率密度，會(huì)采用提高開關(guān)頻率來(lái)減小磁性器件的體積，但是開關(guān)頻率提高以后又會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗的增加，MOS管的開關(guān)應(yīng)力和EMI都會(huì)惡化，此時(shí)一般就會(huì)采用氮化鎵來(lái)替代碳化硅。氮化鎵器件沒(méi)有體二極管，所以就沒(méi)有反向恢復(fù)損耗，它的開關(guān)瞬態(tài)應(yīng)力和EMI都會(huì)減小，同時(shí)，氮化鎵器件的柵極和輸出電容小，在高頻工作場(chǎng)景下的開關(guān)損耗也會(huì)比傳統(tǒng)的碳化硅要低，所以在高頻應(yīng)用中，一般會(huì)選擇氮化鎵做功率器件。
對(duì)驅(qū)動(dòng)電路而言，傳統(tǒng)分立電路因?yàn)榧纳鷧?shù)影響，驅(qū)動(dòng)上升沿等振蕩需要串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)抑制，但是驅(qū)動(dòng)電阻的增加又會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)延時(shí)增加，以及開關(guān)損耗增加；在高頻工作場(chǎng)景下，這些影響會(huì)進(jìn)一步放大。所以，氮化鎵的制造廠家會(huì)選擇把MOS管和驅(qū)動(dòng)封裝在一起，這樣寄生參數(shù)可以大大減小，不需要驅(qū)動(dòng)電阻也可以獲得很好的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性，同時(shí)又提高了MOS管基級(jí)的ESD耐壓能力。
在高頻氮化鎵電源應(yīng)用中，對(duì)數(shù)字隔離器的要求也會(huì)不同，比如要求傳輸?shù)乃俾矢?，共模瞬態(tài)抑制能力強(qiáng)，同時(shí)體積又要足夠小。納芯微DFN封裝的數(shù)字隔離器NSi812xD可以滿足高頻氮化鎵應(yīng)用的所有要求，其應(yīng)用在PFC電源上，可以實(shí)現(xiàn)四分之一端輸出功率超過(guò)1.5千瓦，開關(guān)頻率1.6MHz。
市場(chǎng)上常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器封裝一般是SOIC8或者SOIC16，采用DFN封裝的NSI812xD最主要的特點(diǎn)就是體積小。該芯片專門針對(duì) I 類環(huán)境的電壓產(chǎn)品，比如電壓低于60V，或者是在密閉環(huán)境帶塑封的模塊，這類應(yīng)用對(duì)隔離電壓與爬電距離的要求相對(duì)較低，使用NSi812xD可以大大減小布板面積，同時(shí) I 類產(chǎn)品的其他性能需求也都能用NSi812xD滿足要求。
02小米10配置的65瓦快充適配器設(shè)計(jì)優(yōu)化
下圖是小米10的65瓦快充適配器的典型電路，DC部分的主拓?fù)涫茿CF（ActiveClamp Flyback，有源鉗位反激），主MOS管是兩顆帶驅(qū)動(dòng)能力的氮化鎵器件，主控芯片放在原邊，給主MOS提供驅(qū)動(dòng)，由于上面的鉗位MOS管浮地，所以使用了一顆半橋驅(qū)動(dòng)來(lái)傳遞驅(qū)動(dòng)信號(hào)，看起來(lái)有一點(diǎn)多余，但也是必要的。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可使用一顆單通道DFN封裝的NSi812xD來(lái)解決鉗位MOS管的浮地問(wèn)題，主MOS管本身可以直接驅(qū)動(dòng)，因?yàn)橹鱉OS管帶驅(qū)動(dòng)能力，這樣可以大大減小體積和成本；反饋部分也可以使用納芯微NSi3192，這顆芯片能提供很好的隔離線性反饋功能，可以大大減小體積、布板面積，以及提升線性反饋能力。
03
二次電源應(yīng)用案例
二次電源產(chǎn)品輸入一般是48V（母線），最高輸入電壓不超過(guò)60V，這類產(chǎn)品由于電壓低，所以隔離等級(jí)與爬電距離的要求相對(duì)較低。
納芯微DFN數(shù)字隔離器適用此類應(yīng)用，這類產(chǎn)品的主控芯片一般放在副邊，可以使用數(shù)字隔離器來(lái)傳遞驅(qū)動(dòng)信號(hào)，納芯微后續(xù)還將推出隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，直接把驅(qū)動(dòng)和數(shù)字隔離集成在一個(gè)封裝里面，進(jìn)一步減小驅(qū)動(dòng)電路的體積。
還有一些二次電源的應(yīng)用，需要從輔助電源里取一部分電壓給后級(jí)三次電源供電，由于輔助電源此時(shí)也參與了后面的送電，在類似遠(yuǎn)程掉電等控制功能上，就需要主控芯片控制輔助電源實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，此時(shí)兩顆芯片之間需要隔離的通信交換，所以可以用標(biāo)準(zhǔn)的雙向隔離芯片。
04
AC/DC電源應(yīng)用案例之PSU
典型AC/DC電路通常采用PFC（功率因數(shù)校正）加LLC的拓?fù)湫问?，一般?huì)有兩顆主控芯片，原邊一顆，副邊一顆。
原邊主控芯片主要負(fù)責(zé)PFC的控制，副邊主控芯片主要負(fù)責(zé)LLC部分，以及對(duì)外部的信息交互。這里用到的隔離器件就包括LLC的隔離驅(qū)動(dòng)NSi6602（當(dāng)然也可以用非隔離驅(qū)動(dòng)加標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器的解決方案）；第二個(gè)用到隔離器件的地方是兩顆主控芯片之間的信息交互，我們用標(biāo)準(zhǔn)隔離器NSi8241來(lái)傳遞信號(hào)；第三個(gè)是對(duì)外的接口隔離，比如CAN隔離，485總線隔離，此時(shí)可用標(biāo)準(zhǔn)隔離芯片NSi8121,也可以用集成收發(fā)功能的隔離芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的隔離。
再看安規(guī)絕緣的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于AC/DC電路，一般原邊或副邊各個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地的絕緣要求是基礎(chǔ)絕緣，基礎(chǔ)絕緣的爬電距離一般是2到4毫米，對(duì)于基礎(chǔ)絕緣部分電路，一般選用SOIC8封裝的隔離芯片；對(duì)于跨原副邊的電路，要求加強(qiáng)絕緣，爬電距離一般要求6.4毫米以上，在這里一般選擇寬體的SOIC16封裝的隔離芯片，例如NSi6602。
05
AC/DC電源應(yīng)用案例之OBC
OBC（On Board Charger,車載充電）是另一種典型的AC/DC電路，其主功率拓?fù)渑c前面的電路大同小異，但控制上有區(qū)別，并沒(méi)有在原副邊各放一個(gè)主控芯片，而只在原邊放了一顆芯片，來(lái)管理主功率的整體拓?fù)潆娐?，所以副邊的信?hào)采樣與驅(qū)動(dòng)，都需要通過(guò)隔離芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。副邊的MCU主要負(fù)責(zé)板上其他電路的管理，以及對(duì)外的交互。
納芯微的隔離產(chǎn)品覆蓋很全面，包括隔離驅(qū)動(dòng)NSi6602，隔離采樣NSi13XX，以及通信用的標(biāo)準(zhǔn)隔離器NSi8221，和前面提到的隔離接口的芯片。
隔離采樣芯片NSi13XX系列需要重點(diǎn)關(guān)注，因?yàn)殡妱?dòng)汽車需要非常準(zhǔn)確的電流測(cè)量來(lái)提高傳動(dòng)效率，所以使用集成隔離與采樣功能的芯片，可以應(yīng)對(duì)汽車產(chǎn)品惡劣的使用環(huán)境，提高電流采樣的可靠性。因?yàn)楦綦x與采樣功能集成在一起，也能縮小體積，減少PCB占用面積，功耗也相對(duì)較低。
06
板內(nèi)通信隔離應(yīng)用
板內(nèi)通信隔離應(yīng)用有兩種典型的隔離應(yīng)用場(chǎng)景。
一種是ACF模塊中ACF芯片與主控芯片之間的通信，在遠(yuǎn)程掉電功能中，主控芯片需要通過(guò)高低電平控制ACF芯片下電。另外，ACF自身功能實(shí)現(xiàn)，也需要用到隔離器件，例如防倒灌保護(hù)功能，需要用ACF控制芯片中發(fā)一個(gè)信號(hào)，來(lái)關(guān)閉副邊的同步整流管。
另一個(gè)典型應(yīng)用為AC/DC中PFC主控MCU與LLC主控MCU之間的通信，非及時(shí)信號(hào)用異步TX/RX來(lái)傳送，及時(shí)信號(hào)要用專門信號(hào)去傳遞，例如AFCOK信號(hào)與PFCOK信號(hào)，需要讓雙方知曉，PFC電路與LLC電路何時(shí)已正常工作，在這些應(yīng)用中，都可以采用數(shù)字隔離措施。
對(duì)于這種高低電平信號(hào)的傳輸，有的工程師可能會(huì)認(rèn)為用光耦更劃算，光耦在單顆元件成本上確實(shí)具備優(yōu)勢(shì)，但綜合考慮整體方案成本及性能，數(shù)字隔離方案在一些場(chǎng)景中仍是優(yōu)選方案。具體來(lái)看，光耦最大的缺點(diǎn)是對(duì)溫度的依耐性非常高，溫度變化引發(fā)的光耦性能變化會(huì)導(dǎo)致電路性能下降，因此在高溫工作環(huán)境與對(duì)體積要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，數(shù)字隔離器是更好的光耦替代方案。
07
用NSi3190實(shí)現(xiàn)母線電壓采樣
在隔離電源母線電壓采樣應(yīng)用中，可以采用納芯微最新推出的誤差放大器NSi3190。
對(duì)于AC電源，一般原邊有DSP或MCU，所以輸入電壓采樣可以直接通過(guò)電阻分壓來(lái)得到；在隔離DC電源中，有時(shí)候會(huì)把電源控制芯片放在副邊，這種配置下對(duì)原邊電壓采樣，可以用隔離運(yùn)放NSi1311來(lái)實(shí)現(xiàn)。
有沒(méi)有更低成本的方案？用納芯微最新推出的隔離誤差放大器NSi3190，這里只舉一個(gè)非典型應(yīng)用場(chǎng)景，如圖所示，先將NSi3190接成跟隨器模式，這樣就可以把母線電壓很方便地傳遞到副邊，利用母線電壓采樣數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、輸入電壓前饋，以及輸入電壓上報(bào)。
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