超寬體封裝數(shù)字隔離器讓高壓應(yīng)用更高效可靠

近年來，在光伏、充電樁、新能源汽車、儲能等新興需求以及工控、電源、電力等傳統(tǒng)應(yīng)用有增無減的需求推動下，高壓數(shù)字控制應(yīng)用的隔離需求日益增長，高效率和高可靠性數(shù)字隔離器進入了需求旺盛期。

在高壓系統(tǒng)中，必須通過隔離手段構(gòu)建可靠的隔離柵，將敏感的電子元器件與快速瞬變的高壓組件進行電氣隔離，以保證電源安全性、更好的系統(tǒng)性能和更高的可靠性。這需要考慮很多因素，包括隔離額定值、爬電距離和電氣間隙、共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）和電磁干擾（EMI）。

碳化硅（SiC）等寬禁帶（WBD）器件和驅(qū)動產(chǎn)品在推進功率密度不斷提升的同時，也對隔離提出了更高的要求?，F(xiàn)在，數(shù)字隔離器已成為助力高壓應(yīng)用發(fā)揮巨大潛力的半導(dǎo)體器件之一，廣泛應(yīng)用于光伏、新能源車、工業(yè)自動化系統(tǒng)、隔離SPI、RS232、RS485、通用多通道隔離和電機控制等。

高壓隔離遇到諸多挑戰(zhàn)

隨著工業(yè)和汽車領(lǐng)域?qū)Ω呖煽啃?、更長使用壽命和更高信號完整性的需求不斷增長，給高壓應(yīng)用帶來了一系列挑戰(zhàn)：

高壓功率轉(zhuǎn)換必須在最大限度降低系統(tǒng)功率損耗的同時提高效率；高壓隔離設(shè)計需要有堅固的隔離屏障來保證系統(tǒng)安全；而在惡劣的工作條件下，需要解決高壓傳感難以準(zhǔn)確測量溫度、電流和電壓的問題。

另外，寬禁帶功率器件的使用也使高壓系統(tǒng)的低延遲實時控制變得至關(guān)重要。為此，隨著電氣化進程的不斷推進，以及高壓電源系統(tǒng)復(fù)雜性的日益提升，設(shè)計人員需要在確保正確隔離級別和系統(tǒng)安全的同時，提高產(chǎn)品的性能和使用壽命。

所謂數(shù)字隔離器是一種在電氣隔離狀態(tài)下實現(xiàn)信號傳輸?shù)钠骷哂懈吖ぷ麟妷?、低輻射、低功耗和高效率的特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力能源、通信網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、消費電子等各種電子系統(tǒng)設(shè)備中。

目前市場上有三種主流隔離方案：光耦隔離、電容隔離和磁耦隔離。

光耦是最早出現(xiàn)的隔離方式，它利用光的特性實現(xiàn)信號的單向傳輸。由于隨時間推移的光衰，光耦存在老化效應(yīng)的問題。

電容隔離利用電容效應(yīng)消除信號的交叉干擾，具有低傳播延遲，可以在超過150Mbps的速率下傳輸數(shù)據(jù)，消耗的偏置電流更少，但隔離邊界兩側(cè)需要單獨的偏置電源電壓。電容隔離的最大優(yōu)勢是成本低，可以做成多路。

磁隔離則是通過磁場的屏蔽來隔離信號，在需要高頻DC-DC電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中具有優(yōu)勢，但其成本相對高一些。

超寬體封裝應(yīng)需而生

以光伏應(yīng)用為例，除了需要單晶硅和多晶硅材料外，為了提升光伏組件的功率密度方面，已經(jīng)將母線電壓提高到1500V，這就需要更大爬電距離的隔離器件來滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB4943.1-2022所規(guī)定的耐壓性能和爬電距離要求。為此，一些寬體（SOP），甚至超寬體（DWW）封裝應(yīng)運而生，事實上，不同廠商對超寬體封裝的命名有所不同。

超寬體數(shù)字隔離器是一種高可靠性隔離產(chǎn)品，具有高電磁抗擾度、低電磁輻射、低功耗的特性，能夠承受更高的隔離浪涌電壓。超寬體封裝的爬電距離高達15mm，能夠滿足客戶高壓系統(tǒng)的安規(guī)要求，比如在光伏系統(tǒng)中，根據(jù)IEC 62109的標(biāo)準(zhǔn)要求，1500V系統(tǒng)增強絕緣條件下要求隔離器件的爬電距離＞14mm。

納芯微推出的超寬體數(shù)字隔離器NSI82xx系列就是這樣的產(chǎn)品，在提供15mm長爬電距離的同時，還具備優(yōu)異的EMC性能，非常適用于光伏等對爬電距離有較高要求的高壓系統(tǒng)。該器件可兼容替代其他一些廠商的高精度、高速、雙向數(shù)字隔離器。

根據(jù)應(yīng)用不同，NSI82xx系列產(chǎn)品分為NSI82xx-DSWWR/NSI82xx-Q1SWWR系列高可靠性、多通道超寬體數(shù)字隔離器。其中NSI82xx-DSWWR是工規(guī)產(chǎn)品，包括NSI822xWx-DSWWR (2通道)、NSI823xWx-DSWWR (3通道)、NSI824xWx-DSWWR (4通道)；NSI82xx-Q1SWWR是車規(guī)產(chǎn)品，包括NSI822xWx-Q1SWWR (2通道)、NSI823xWx-Q1SWWR (3通道)、NSI824xWx-Q1SWWR (4通道)。

NSI82xx-DSWWR系列超寬體數(shù)字隔離器已于2022年1月量產(chǎn)，目前已有電源、新能源車、電力、工業(yè)自動化、光伏系統(tǒng)、儲能、充電樁等領(lǐng)域的客戶在使用納芯微的超寬體數(shù)字隔離器。

瞄準(zhǔn)高效率、高可靠、多功能

以四通道的數(shù)字隔離器NSI824x系列為例，其已通過UL1577安全認證，可承受多種級別絕緣耐壓（3kVrms、3.75kVrms、5kVrms和8kVrms），其中超寬體封裝可提供高達8kVrms的絕緣耐壓能力，數(shù)據(jù)速率高達150Mbps，CMTI高達200kV/μs（最小值）。

顯示NSI824x高速性能的眼圖

該系列器件提供數(shù)字通道方向配置和輸入缺失時的默認輸出電平配置；寬電源電壓支持與大多數(shù)數(shù)字接口直接連接，易于進行電平轉(zhuǎn)換；較高的系統(tǒng)級EMC性能提高了使用的可靠性和穩(wěn)定性。

NSI824x系列采用電容隔離技術(shù)，數(shù)字信號由發(fā)射器側(cè)的內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的RF載波調(diào)制，然后通過電容隔離傳輸，并在接收器側(cè)進行解調(diào)。該調(diào)制采用納芯微專利的Adaptive OOK調(diào)制技術(shù)，具有高抗噪性和低EMI的優(yōu)點。

單通道功能框圖和OOK調(diào)制

NSI824x系列的主要特性

NSI824x數(shù)字隔離器具有豐富的功能特性，具體如下：

• 絕緣電壓：最高達8kVrms（超寬體封裝）

• 數(shù)據(jù)傳輸速率：DC至150Mbps

• 電源電壓：2.5V至5.5V

• 高CMTI：200kV/μs（最小值）

• 芯片級ESD：±8kV（人體模型）

• 強大的電磁兼容性（EMC）

• 系統(tǒng)級ESD、EFT和浪涌抗擾度

• 低電磁輻射

• 默認輸出高電平或低電平選項

• 低功耗：1.5mA/ch（1Mbps）

• 低傳播延遲：＜15ns

• 工作溫度：-55℃～125℃

• 符合RoHS規(guī)范的封裝：SOP16 (150mil/300mil/600mil)，SSOP16

NSI824x數(shù)字隔離器通過的安規(guī)認證如下：

• UL1577認證：絕緣電壓最高達8kVrms（1分鐘）

• CQC認證：符合GB4943.1-2011

• CSA認證：組件符合5A

• DIN VDE V 0884-11:2017-01增強型隔離認證

IPM的典型PWM隔離電路

PCB布局小貼士

在PCB布局時需要注意的是，NSI824x的VDD1和GND1、VDD2和GND2之間需要0.1μF的旁路電容器，電容器應(yīng)盡可能靠近封裝放置。在所推薦的PCB布局正面，需確保芯片下方的空間沒有平面、跡線、焊盤和過孔。

推薦的PCB布局正面和背面

如果系統(tǒng)噪聲過大，為了增強設(shè)計的穩(wěn)健性，用戶還可以使用與輸入和輸出串聯(lián)的電阻器（50～300Ω）。串聯(lián)電阻器還可提高系統(tǒng)可靠性，例如閂鎖抗擾度。隔離器驅(qū)動通道的典型輸出阻抗約為50Ω，±40%。當(dāng)驅(qū)動傳輸線影響負載時，輸出引腳應(yīng)適當(dāng)端接可控阻抗的PCB跡線。