数字隔离在新能源汽车中的应用

1 交通应用中的隔离要求

　　汽车、卡车和摩托车中采用的混合动力和电动传动系统，在交通运输产业引发了新的、前所未知的挑战。原来的12V电压网络现在需辅之以400V或更高的电池　　电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能，从而对汽车OEM和系统模块供货商提出了一系列全新要求。诸如高压电池、DC/DC转换器
 

　　转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。

图1：电动车典型系统架构。

　　与工业应用相较，汽车和运输应用对隔离有着不同要求。坚实可靠当然是必须的，而对磁“噪声”也必须要有强大抵抗力。车内的大功率水平（如工作在400V的 100KW马达，意味着250A的工作电流）会在车内产生必须妥善处理的强磁场。所用零件的使用期限必须足够长以满足车辆预期寿命要求；例如必须满足大型运输应用几十年的使用要求。用于汽车环境的产品，将推动对汽车应用质量（Q1）的要求，以及要满足-40至+125℃的工作温度范围。

　　同时，这些领域的成本压力，将推动对更高系统整合度的要求，因此，具备隔离功能的单芯片产品，如CAN收发器、ADC或门极驱动器等组件就展现出了优势。

　　2 不同的数字隔离技术

　　原则上，有四种不同的数字隔离方法：　　能产生电感作用的元件统称为电感原件，常常直接简称为电感。电感器在电子制作中虽然使用得不是很多，但它们在电路中同样重要。我们认为电感器和电容器一样，也是一种储能元件，它能把电能转变为磁场能，并在磁场中储存能量。式，电容式和射频式。以下将介绍前三种方法。

　　电感隔离使用两个线圈之间的磁场变化实现跨隔离势垒 （isolation barrier）的通讯。电感隔离法的一个优点是共模和差分传输间的不同，这意味着它的抗噪能力良好。这种方法的缺点是可能来自磁场的失真，对混合动力/ 电动汽车应用的马达控制环境来说，这种失真很常见。

　　电容隔离利用穿越隔离势垒的电场变化。电容隔离法的好处是对磁场的免疫力更强和长的系统寿命。电容隔离与电感隔离法的传输速度近似。

　　但电容隔离法的缺点是没有差分信号（即：信号和噪声共享同一信道）。另外，与电感隔离法一样，它们都不能直接传输静态信号（必须先与频率信号进行编码）。

　　3 隔离产品

　　一个采用电容隔离法的例子是德州仪器的 ISOxxxx系列。图2是ISO72xx系统简化架构图。ISOxxxx组件在单一封装内，整合两个放置在分离型导线架上的裸晶，以及传送和接收芯片。两个裸晶间仅透过一条接合线连接。在接收器上实现的实际隔离功能，是采用基于二氧化硅（SiO2，即玻璃）的，以铜和掺杂硅为基板电极的电容（图3）。使用SiO2可带来高可靠性和长寿命的优点。

图2：TI的ISO 72xx系列架构图。

图3：TI的ISO72xx系列裸片照片，右侧的接收器芯片上采用了二氧化硅隔离。

　　两个信道同时允许直流和交流通讯，此外，它还具有故障防范功能。

　　基本AC信道使用输入信号，并在过滤后透过由隔离电容组成的差分对传输该信号。然后，接收芯片上的施密特触发器的输入端对其进行检测，最后经输出缓冲器输出该接收到的信号。它可实现非常高速的传输、轻微脉宽失真和短传输延迟，但不能发送DC信号。