交通應用中的隔離要求

汽車、卡車和摩托車中采用的混合動力和電動傳動系統，在交通運輸產業引發了新的、前所未知的挑戰。原來的12V電壓網絡現在需輔之以400V或更高的電池和電源系統，從而對汽車OEM和系統模塊供貨商提出了一系列全新要求。諸如高壓電池、DC/DC轉換器、用于驅動馬達的逆變器，以及連接到230V/380V電網的車載充電器模塊等混合動力/電動車內的全部功能，都提出了隔離要求。

與工業應用相較，汽車和運輸應用對隔離有著不同要求。堅實可靠當然是必須的，而對磁“噪聲”也必須要有強大抵抗力。車內的大功率水平(如工作在400V的100KW馬達，意味著250A的工作電流)會在車內產生必須妥善處理的強磁場。所用零件的使用期限必須足夠長以滿足車輛預期壽命要求；例如必須滿足大型運輸應用幾十年的使用要求。用于汽車環境的產品，將推動對汽車應用質量(Q1)的要求，以及要滿足-40至+125℃的工作溫度范圍。

同時，這些領域的成本壓力，將推動對更高系統整合度的要求，因此，具備隔離功能的單芯片產品，如CAN收發器、ADC或門極驅動器等組件就展現出了優勢。

不同的數字隔離技術

原則上，有四種不同的數字隔離方法：光、電感式，電容式和射頻式。以下將介紹前三種方法。

光隔離技術使用透明絕緣隔離層進行光傳輸來實現光隔離。透過驅動LED(發光二極管)，數字信號從電轉換成光。然后通過隔離層傳輸這個光信號，再用光學檢測組件(光電二極管、光電晶體管)將光信號轉換回電信號。

光隔離的主要優點是光對電場或磁場具有免疫力及有可能輸送靜態信號。在隔離層的接收側(flipside)，光隔離器的工作頻率(傳輸速度)受限于LED相對較慢的特性。對混合動力/電動汽車應用來說，光隔離有限的壽命是一個主要缺點。隨著時間的推移，LED的效率將降低，從而需要加大信號驅動電流(通常從10mA開始)，所以，隨著時間的綿延，這種光隔離終將無法發揮功用。

電感隔離使用兩個線圈之間的磁場變化實現跨隔離勢壘(isolation barrier)的通訊。電感隔離法的一個優點是共模和差分傳輸間的不同，這意味著它的抗噪能力良好。這種方法的缺點是可能來自磁場的失真，對混合動力/電動汽車應用的馬達控制環境來說，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和長的系統壽命。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信號(必須先與頻率信號進行編碼)。

隔離產品

一個采用電容隔離法的例子是德州儀器的ISOxxxx系列。圖2是ISO72xx系統簡化架構圖。ISOxxxx組件在單一封裝內，整合兩個放置在分離型導線架上的裸晶，以及傳送和接收芯片。兩個裸晶間僅透過一條接合線連接。在接收器上實現的實際隔離功能，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點。

圖：TI的ISO 72xx系列架構圖。

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

兩個信道同時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器的輸入端對其進行檢測，最后經輸出緩沖器輸出該接收到的信號。它可實現非常高速的傳輸、輕微脈寬失真和短傳輸延遲，但不能發送DC信號。

可用DC通道透過隔離勢壘傳送DC(或速度非常低的)信號。芯片上振蕩器將信號編碼為PWM信號，借助與AC信道類似的差分信號越過隔離勢壘進行傳送。在接收芯片端，對信號進行譯碼并送至輸出緩沖器。

但是，DC信道也用于故障防范功能。例如，如果發送端的電源電壓不夠高，則振蕩器將停止工作，這就意味著接收端將檢測不到數據信號，從而發出故障指示并輸出高電平。在正常工作(即有足夠的數據傳輸密度)時，輸出多任務器將忽略DC通道；但當AC通道在約4us的時間內沒有數據傳輸時，DC信道將得到優先權。一旦AC信號有一個跳變，多任務器將立即又切換回該通道。

有多種隔離組件可用以滿足不同配置(單到四)要求。它們都能在高達150Mbps的數據速率下，提供560V的連續絕緣(4kV峰值瞬態)。另外，這些組件都滿足汽車級應用要求。

可靠性考慮及外部電磁場免疫力

嚴酷的汽車和交通運輸環境，加上車輛的長使用壽命等特點，要求組件具有特殊特性。平均無故障時間(MTTF)是確定半導體電路可靠性的一種標準方法。對隔離組件來說，它同時適用于集成電路和隔離原理這兩方面。應使用90%的可信任水平和125℃的環境溫度進行評測，典型電容和電感組件的平均無故障時間超過2,000年，而FIT(109小時內的故障數)在60以內。而典型光學組件的平均無故障時間只有30年，FIT將近4,000。

就對磁場的免疫力來說，圖4比較了感性與容性組件。感性組件和容性組件(ISO721)都具有遠超IEC61000標準的高磁場免疫力。但，容性組件ISO721更勝一籌，這對惡劣的汽車環境應用特別重要。

圖：對外部磁場的免疫力。