在混合動力和電動汽車中數(shù)字隔離技術的應用

汽車、卡車和摩托車中采用的混合動力和電動傳動系統(tǒng)，在交通運輸產業(yè)引發(fā)了新的、前所未知的挑戰(zhàn)。原來的12V電壓網絡現(xiàn)在需輔之以400V或更高的電池和電源系統(tǒng)，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(yè)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(huán)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(tǒng)整合度的要求，因此，具備隔離功能的單芯片產品，如CAN收發(fā)器、ADC或門極驅動器等組件就展現(xiàn)出了優(yōu)勢。

不同的數(shù)字隔離技術

原則上，有四種不同的數(shù)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(xiàn)光隔離。透過驅動LED(發(fā)光二極管)，數(shù)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(yōu)點是光對電場或磁場具有免疫力及有可能輸送靜態(tài)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(fā)揮功用。

電感隔離使用兩個線圈之間的磁場變化實現(xiàn)跨隔離勢壘(isolation barrier)的通訊。電感隔離法的一個優(yōu)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(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(tǒng)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(xiàn)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(yōu)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。