满足汽车电气隔离要求的数字隔离器

电流隔离提供电平转换功能，提高电气噪声抗扰度，并确保高压（HV） 汽车应用的安全性。满足不断增长的电气隔离要求汽车（EV）应用，英飞凌科技推出第一代ISOFACE™四通道数字隔离器符合 AEC-Q100 标准，在确保精确定时的同时提供高稳健性性能和低功耗。

1.1

隔离技术

首款数字隔离器系列采用英飞凌获得专利的无磁芯变压器（CT）技术，可隔离信号跨越不同的电压域。它是一种磁耦合隔离技术，它使用集成由金属螺旋组成的片上变压器的半导体制造工艺由二氧化硅 (SiO2) 绝缘屏障隔开。如图 1 所示。片上无磁芯变压器用于在输入和输出芯片之间传输信号。此外，还有毛刺滤波器、集成了通信调制、看门狗和欠压锁定(UVLO), 以确保稳健且即使在存在高电压和噪声的关键工业环境中，也能实现故障安全数据传输。

图1 英飞凌CT的横截面，

用于ISOFACE™ 数字隔离器产品

1.2

产品特色

英飞凌的 ISOFACE™ 数字隔离器 4DIRx4xxHA 符合 AEC-Q100 标准，旨在满足具有挑战性的汽车应用中的要求，并具有以下功能：

• 高共模瞬态抗扰度（CMTI），超过 100 kV/μs
• 提供高或低故障安全默认输出选项
• 2.7 至 6.5V 的宽工作电源电压（绝对最大值为 7.5V ）
• 精确的定时性能，具有 26 ns 的典型传播延迟和 -5/+6 ns 扩展
• 低功耗，3.3 V 和 1 Mbps 时最大电流为 6.4 mA
• 比较漏电起痕指数（CTI）大于 600 V 和材料组 I

1.3

产品概述

具有不同通道配置、故障安全默认输出状态和输出使能的产品型号极性可用，如表 1 所示。

表1 英飞凌ISOFACE™四通道数字隔离器系列的产品型号

合适的目标应用是：

• 汽车应用中的隔离式串行外设接口（SPI）
• 混合动力、电动和动力总成系统（EV/HEV）
• 车载充电器（OBC）
• DC-DC转换器
• 牵引逆变器
• 变频器和电机控制
• 电池管理系统（BMS）

2

ISOFACE™数字隔离器选型指南

从ISOFACE™四通道数字隔离器系列中找到合适的器件并不困难，因为他们已经做到了某些共同功能，但在不同的通道配置和默认输出状态下要满足各种汽车应用的要求。但是，有一些重要的注意事项在选择合适的数字隔离器时，取决于应用要求。

数据速率

ISOFACE™四通道数字隔离器系列提供最大40 Mbps的单数据速率，即适用于开关电源(SMPS)应用中的栅极驱动信号隔离和隔离汽车应用中的低速/中速通信接口。表2 总结了适用于给定数据速率的应用程序。

表2 适用于最大 40 Mbps 数据速率的

ISOFACE™ 数字隔离器

隔离规范要求

隔离耐压，以及爬电距离、电气间隙、CTI 和污染程度，是主要用于为应用选择合适的数字隔离器的参数。例如，英飞凌的 ISOFACE™ 4DIRx4xxH 数字隔离器具有至少 8 mm 的爬电距离和电气间隙。超过 600 V 的 CTI 可承受 5700 VRMS 隔离电压（VISO），符合 UL 1577 标准。他们是适用于需要加强隔离的汽车应用。表 3 给出了隔离的概述ISOFACE™四通道数字隔离器的规格。

表3 ISOFACE™四通道数字隔离器的隔离规格

通道配置

确定通道配置意味着选择通道数量及其方向。例如，一个4+0（4个正向通道）四通道数字隔离器适用于隔离式栅极驱动信号传输（例如，低侧和高侧开关）在电源转换器拓扑结构中，如半桥或全桥。A 3+1（三正向和一个反向）四通道数字隔离器通常需要用于SPI通信。另一方面手，2+2（两个前进和两个后退）可用于表4总结了ISOFACE™四通道数字通道的不同可能通道配置隔离器及其相应的应用。

表4 ISOFACE™四通道数字隔离器的

通道配置及应用

故障安全默认输出状态

故障安全默认输出状态指示数字隔离器的输入通道未通电或输入引脚断开。这是选择合适的数字隔离器的重要标准取决于应用。通常，当数字隔离器用于隔离栅极驱动信号，例如在SMPS应用中。数字隔离器的输出保持不变每当输入端发生任何错误时，安全关闭。另一方面，用于隔离通信接口，最好具有默认的高输出，因为大多数通信总线被定义为高电平总线处于空闲状态时的逻辑电平。表 5 显示了不同的首选默认输出状态应用。

表5 ISOFACE™数字隔离器针对不同应用的

首选默认输出状态

共模瞬态抗扰度

CMTI被定义为数字隔离器承受电位差快速变化的能力。较高的CMTI值（通常以kV/μs为单位）表明采用稳健的隔离技术和无故障即使在高开关频率下快速瞬变的临界条件下也能传输数据。ISOFACE™汽车级四通道数字隔离器提供100 kV/μs的基准最高CMTI目前市场上的最小值，是使用 SiC/GaN 的高功率密度设计的最佳选择可能具有高 dv/dt（超过 100 kV/μs）和具有高共模噪声的电机控制应用。

图2概述了如何从ISOFACE™汽车数字隔离器中选择合适的器件根据关键参数和应用要求。

图2 ISOFACE™汽车级四通道数字隔离器选型指南

3

PCB设计指南

3.1

PCB材料

由于英飞凌的四通道数字隔离器的最大数据速率为 40 Mbps，因此常用的 FR-4材料适用于PCB。其特点是吸湿性小，绝缘可靠相当大的机械强度使其优于替代品。

3.2

板层堆栈

为了在使用高达 40 Mbps 的高数据速率的数字隔离器的系统上实现低 EMI 性能，它是强烈建议采用四层PCB设计设计系统应用板，描述为遵循：

• 第 1 层：高速层
  该层用于高速信号走线，例如信号输入和信号输出。
• 第 2 层：地层
  中间放置一个接地层以提供屏蔽效果。
• 第 3 层：电源层
  该层用于数字隔离器的所有电源走线。
• 第 4 层：低速或接地层
  如果没有可用的低速信号走线，则可以将该层设计为接地层以提供更好的效果屏蔽。
  

图层堆叠如图 3 所示：

图3 使用数字隔离器对系统设计进行层叠

3.3

布局注意事项

为了在高数据速率的高压应用中设计ISOFACE™数字隔离器，有一些重要的布局确保安全、无故障的数据传输的注意事项。如图 4 所示，以 ISOFACE™ 为例4DIR1400HA，数字隔离器需要连接到高走线、电源和静音接地。

图4 采用ISOFACE™数字隔离器的设计布局注意事项

有一些规则需要遵守，总结如下：

• 将实心电源岛直接放置在电源 VDD 引脚上，以减少走线，作为具有高峰值的电流流入 VDD 引脚，尤其是在高数据速率下。
• 将高频旁路电容放置在尽可能靠近 VDD 和 GND 引脚的位置。它高度建议在高数据速率下在两侧使用两个 100 nF 和 1 μF 旁路电容，以实现平滑输出信号。
• 将实心接地岛直接放置在接地引脚上，以帮助通过 PCB 散热。
• 在顶层路由高速信号，避免使用通孔来减少寄生效应，因为寄生效应可能耦合噪声并影响数据传输。
• 将低速信号路由到底层，因为它们可以容忍更多的寄生效应。

4

ISOFACE™汽车数字的典型应用隔离

ISOFACE™数字隔离器为高压汽车应用提供功能和安全隔离。与非隔离式栅极驱动器一起，它们是SMPS的首选，具有高度的灵活性和集成度通信，尤其是与 GaN-IPS 的通信。与收发器一起或独立使用，它们适用于隔离通信接口。

4.1

使用汽车四通道数字隔离器的应用

ISOFACE™四通道汽车数字隔离器具有宽电源范围、高CMTI和CTI等特点超过 600 VRMS，可在 SMPS 应用和汽车应用中的隔离式通信接口。

使用 4DIR1400HA 的 EV 中的 OBC

OBC是电动汽车最重要的部分。它是一种 AC-DC 转换器，可提供稳定的 HV DC 输出，以为板载电池充电。由于高效率是一个关键参数，因此数字控制器被广泛使用，因为它们提供更灵活的控制机制和通信能力。确保输入到输出的安全性隔离，通常使用具有增强型隔离的数字隔离器来传输PWM栅极控制通过隔离栅进行信号和附加通信。

图5 采用4DIR1400HA的双向单相双有源桥（DAB）转换器

例如，图5显示了英飞凌的OBC解决方案，该解决方案采用AURIX™微控制器初级侧用于控制功率因数校正 （PFC） 级和 DAB HV DC-DC 转换器。全桥整流栅极驱动信号（高侧和低侧）通过两个传输到次级侧汽车数字隔离器4DIR1400HA的正向通道。另外两个通道用于输出控制和反馈用于保护。

隔离式CAN通信

控制器局域网（CAN）通信已广泛应用于汽车应用。它有优点是物理层只需要一对电缆（两条通信线路）即可进行数据传输。在隔离式CAN接口中确保安全或防止噪声干扰时具有待机模式控制等附加功能，ISOFACE™四通道数字隔离器4DIR2401HA 是提供电流隔离的首选。这种可靠的隔离器提供高CMTI以及极低的脉宽失真 （PWD），这是实现可靠通信的关键特性。此外，隔离器的默认高输出状态可确保通信线路（通常在逻辑中在空闲状态下为高电平）即使在发生故障时也将保持畅通状态，从而防止潜在的电源输入侧的电源损耗。两个通道（一个正向和一个反向）用于CAN通信;另外两个通道可用于GPIO目的，例如待机或模式控制。与英飞凌的汽车CAN收发器TLE9251一起，隔离式CAN接口的一个例子是如图 6 所示。ISOFACE™ 4DIR2401HA 放置在控制器和收发器之间，以提供电流隔离。

图6 使用ISOFACE™ 4DIR2401HA的隔离式CAN通信

使用 4DIR1421HA 的隔离式 SPI 通信

SPI 是微控制器和外围 IC（如传感器或汽车应用中的存储器件。当系统之间发生通信时不同的接地，数字隔离器是隔离的首选。图 7 显示了典型的隔离式 SPI，使用ISOFACE™ 3+1 数字隔离器 4DIR1421HA。通过主侧的负使能引脚 /EN1，它可以直接连接到主设备的 /CS 引脚。这减少了对逆变器的需求。

图7 使用4DIR1421HA的隔离式SPI通信

汽车数字隔离器，结合英飞凌全面的AURIX™微控制器产品组合，汽车EiceDRIVER™门驱动器 IC 和电源开关，如 OptiMOS™、CoolMOS™、CoolSiC™ 和 CoolGaN在元件，现货上，唯样商城™，它们创造了一个完整的满足现代汽车电力电子领域日益增长的隔离要求的系统解决方案应用。

发布于 2024-08-09 16:38・IP 属地福建