數(shù)字隔離在新能源汽車中的應(yīng)用

1 交通應(yīng)用中的隔離要求

　　汽車、卡車和摩托車中采用的混合動(dòng)力和電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，在交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)引發(fā)了新的、前所未知的挑戰(zhàn)。原來的12V電壓網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在需輔之以400V或更高的電池　　電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供計(jì)算機(jī)中所有部件所需要的電能，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(zhuǎn)換器

　　轉(zhuǎn)換器從原理上可分為協(xié)議轉(zhuǎn)換器、接口轉(zhuǎn)換器兩大類。從應(yīng)用上又可以分光纖轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器、視頻轉(zhuǎn)換器等等。例如視頻轉(zhuǎn)換器就是一種連接電腦和電視的設(shè)備，它可以把電腦上的內(nèi)容轉(zhuǎn)換并顯示在電視機(jī)上，讓人們可以在電視上學(xué)電腦，上網(wǎng)，玩游戲，做商業(yè)演示，看股票等等。

圖1：電動(dòng)車典型系統(tǒng)架構(gòu)。

　　與工業(yè)應(yīng)用相較，汽車和運(yùn)輸應(yīng)用對隔離有著不同要求。堅(jiān)實(shí)可靠當(dāng)然是必須的，而對磁“噪聲”也必須要有強(qiáng)大抵抗力。車內(nèi)的大功率水平（如工作在400V的 100KW馬達(dá)，意味著250A的工作電流）會(huì)在車內(nèi)產(chǎn)生必須妥善處理的強(qiáng)磁場。所用零件的使用期限必須足夠長以滿足車輛預(yù)期壽命要求；例如必須滿足大型運(yùn)輸應(yīng)用幾十年的使用要求。用于汽車環(huán)境的產(chǎn)品，將推動(dòng)對汽車應(yīng)用質(zhì)量（Q1）的要求，以及要滿足-40至+125℃的工作溫度范圍。

　　同時(shí)，這些領(lǐng)域的成本壓力，將推動(dòng)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(chǎn)品，如CAN收發(fā)器、ADC或門極驅(qū)動(dòng)器等組件就展現(xiàn)出了優(yōu)勢。

　　2 不同的數(shù)字隔離技術(shù)

　　原則上，有四種不同的數(shù)字隔離方法：　　能產(chǎn)生電感作用的元件統(tǒng)稱為電感原件，常常直接簡稱為電感。電感器在電子制作中雖然使用得不是很多，但它們在電路中同樣重要。我們認(rèn)為電感器和電容器一樣，也是一種儲能元件，它能把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿埽⒃诖艌鲋袃Υ婺芰俊?/span>式，電容式和射頻式。以下將介紹前三種方法。

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　　電感隔離使用兩個(gè)線圈之間的磁場變化實(shí)現(xiàn)跨隔離勢壘 （isolation barrier）的通訊。電感隔離法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是可能來自磁場的失真，對混合動(dòng)力/ 電動(dòng)汽車應(yīng)用的馬達(dá)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(qiáng)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(diǎn)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(jìn)行編碼）。

　　3 隔離產(chǎn)品

　　一個(gè)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(gòu)圖。ISOxxxx組件在單一封裝內(nèi)，整合兩個(gè)放置在分離型導(dǎo)線架上的裸晶，以及傳送和接收芯片。兩個(gè)裸晶間僅透過一條接合線連接。在接收器上實(shí)現(xiàn)的實(shí)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(diǎn)。

圖2：TI的ISO 72xx系列架構(gòu)圖。

圖3：TI的ISO72xx系列裸片照片，右側(cè)的接收器芯片上采用了二氧化硅隔離。

　　兩個(gè)信道同時(shí)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(jìn)行檢測，最后經(jīng)輸出緩沖器輸出該接收到的信號。它可實(shí)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。

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