來源：英飛凌汽車電子生態圈

1. 英飛凌 AEC-Q100 認證 ISOFACE™ 數字簡介隔離

圖 1 英飛凌 CT 的橫斷面，用於 ISOFACE™ 數位隔離器產品

電流隔離提供電平轉換功能，提高電氣雜訊抗擾度，並確保高壓（HV）汽車應用的安全性。滿足不斷增長的電氣隔離要求汽車（EV）應用，英飛凌科技推出第一代 ISOFACE™ 四通道數字隔離器符合 AEC-Q100 標準，在確保精確定時的同時提供高穩健性性能和低功耗。

首款數位隔離器系列採用英飛凌專利的無磁芯變壓器（CT）技術，可隔離訊號跨越不同的電壓域。它是一種磁耦合隔離技術，它使用集成由金屬螺旋組成的片上變壓器的半導體製造工藝由二氧化矽（SiO2）絕緣屏障隔開。如圖 1 所示。片上無磁芯變壓器用於在輸入和輸出晶片之間傳輸訊號。此外，還有毛邊濾波器、集成了通訊調製、看門狗和欠壓鎖定（UVLO），以確保穩健且即使在存在高電壓和噪音的關鍵工業環境中，也能實現故障安全資料傳輸。

表 1 英飛凌 ISOFACE™ 四通道數位隔離器系列的產品型號

英飛凌的 ISOFACE™ 數字隔離器 4DIRx4xxHA 符合 AEC-Q100 標準，旨在滿足具有挑戰性的汽車應用中的要求，並具有以下功能：

• 高共模瞬態抗擾度（CMTI），超過 100 kV/μs
• 提供高或低故障安全預設輸出選項
• 2.7 至 6.5V 的寬工作電源電壓（絕對最大值為 7.5V ）
• 精確的定時性能，具有 26 ns 的典型傳播延遲和 -5/+6 ns 擴展
• 低功耗，3.3 V 和 1 Mbps 時最大電流為 6.4 mA
• 比較漏電起痕指數（CTI）大於 600 V 和材料組 I

具有不同通道配置、故障安全預設輸出狀態和輸出使能的產品型號極性可用，如表 1 所示。

合適的目標應用是：

• 汽車應用中的隔離式序列外設介面（SPI）
• 混合動力、電動和動力總成系統（EV/HEV）
• 車用充電器（OBC）
• DC-DC轉換器
• 牽引逆變器
• 變頻器和電機控制
• 電池管理系統（BMS）

2. ISOFACE™ 數字隔離器選購指南

表 2 適用於最大 40 Mbps 資料速率的 ISOFACE™ 數字隔離器

從 ISOFACE™ 四通道數字隔離器系列中找到合適的元件並不困難，因為他們已經做到了某些共同功能，但在不同的通道配置和預設輸出狀態下要滿足各種汽車應用的要求。但是，有一些重要的注意事項在選擇合適的數字隔離器時，取決於應用要求。

數據速率 >

ISOFACE™ 四通道數字隔離器系列提供最大 40 Mbps 的單資料速率，即適用於開關電源（SMPS）應用中的閘極驅動訊號隔離和隔離汽車應用中的低速/中速通訊介面。表 2 總結了適用於給定資料速率的應用。

表3 ISOFACE™ 四通道數字隔離器的隔離規格

隔離規範要求 >

隔離耐壓，以及爬電距離、電氣間隙、CTI 和污染程度，是主要用於為應用選擇合適的數字隔離器的參數。例如，英飛凌的 ISOFACE™ 4DIRx4xxH 數位隔離器具有至少 8 mm 的爬電距離和電氣間隙。超過 600 V 的 CTI 可承受 5700 VRMS 隔離電壓（VISO），符合 UL 1577 標準。他們是適用於需要加強隔離的汽車應用。表 3 給出了隔離的概述 ISOFACE™ 四通道數字隔離器的規格。

表 4 ISOFACE™ 四通道數字隔離器的通道配置及應用

通道配置 >

確定通道配置意味著選擇通道數量及其方向。例如，一個 4+0（4 個正向通道）四通道數字隔離器適用於隔離式閘極驅動訊號傳輸（例如，低側和高側開關）在電源轉換器拓撲結構中，如半橋或全橋。 A 3+1（三正向和一個反向）四通道數字隔離器通常需要用於 SPI 通訊。另一方面手，2+2（兩個前進和兩個後退）可用於表 4 總結了 ISOFACE™ 四通道數位通道的不同可能通道配置隔離器及其相應的應用。

表 5 ISOFACE™ 數字隔離器針對不同應用的首選預設輸出狀態

故障安全預設輸出狀態 >

故障安全預設輸出狀態指示數字隔離器的輸入通道未通電或輸入引腳斷開。這是選擇合適的數字隔離器的重要標準取決於應用。通常，當數字隔離器用於隔離閘極驅動訊號，例如在 SMPS 應用中。數字隔離器的輸出保持不變每當輸入端發生任何錯誤時，安全關閉。另一方面，用於隔離通訊接口，最好具有預設的高輸出，因為大多數通訊匯流排被定義為高電平匯流排處於空閒狀態時的邏輯電平。表 5 顯示了不同的首選預設輸出狀態應用。

圖 2 ISOFACE™ 汽車級四通道數字隔離器選購指南

共模瞬態抗擾度 >

CMTI 被定義為數字隔離器承受電位差快速變化的能力。較高的 CMTI 值（通常以 kV/μs 為單位）表示採用穩健的隔離技術和無故障即使在高開關頻率下快速瞬變的臨界條件下也能傳輸資料。ISOFACE™ 汽車級四通道數字隔離器提供 100 kV/μs 的基準最高 CMTI 目前市場上的最小值，是使用 SiC/GaN 的高功率密度設計的最佳選擇可能具有高 dv/dt（超過 100 kV/ μs）和高共模雜訊的電機控制應用。

圖 2 概述如何從 ISOFACE™ 汽車數字隔離器中選擇合適的元件根據關鍵參數和應用要求。

3. PCB 設計指南

圖 3 使用數字隔離器對系統設計進行層疊

由於英飛凌的四通道數字隔離器的最大資料速率為 40 Mbps，因此常用的 FR-4 資料適用於 PCB。其特點是吸濕性小，絕緣可靠相當大的機械強度使其優於替代品。

為了在使用高達 40 Mbps 的高數據速率的數字隔離器的系統上實現低 EMI 性能，它是強烈建議採用四層PCB設計設計系統應用板，描述為遵循：

• 第 1 層：高速層
  此層用於高速訊號走線，例如訊號輸入和訊號輸出。
• 第 2 層：地層
  中間放置一個接地層以提供屏蔽效果。
• 第 3 層：電源層
  此層用於數字隔離器的所有電源走線。
• 第 4 層：低速或接地層
  如果沒有可用的低速訊號走線，則可以將該層設計為接地層以提供更好的效果屏蔽。

圖層堆疊如圖 3 所示：

圖 4 採用 ISOFACE™ 數字隔離器的設計佈局注意事項

為了在高資料速率的高壓應用中設計 ISOFACE™ 數字隔離器，有一些重要的佈局確保安全、無故障的資料傳輸的注意事項。如圖 4 所示，以 ISOFACE™ 為例 4DIR1400HA，數字隔離器需要連接到高走線、電源和靜音接地。

有一些規則需要遵守，總結如下：

• 將實心電源島直接放置在電源 VDD 引腳上，以減少走線，作為具有高峰值的電流流入 VDD 引腳，尤其是在高資料速率下。
• 將高頻旁路電容放置在盡可能靠近 VDD 和 GND 引腳的位置。它高度建議在高數據速率下在兩側使用兩個 100 nF 和 1 μF 旁路電容，以實現平滑輸出訊號。
• 將實心接地島直接放置在接地引腳上，以幫助通過 PCB 散熱。
• 在頂層路由高速訊號，避免使用通孔來減少寄生效應，因為寄生效應可能耦合雜訊並影響資料傳輸。
• 將低速訊號路由到底層，因為它們可以容忍更多的寄生效應。

4. ISOFACE™ 汽車數字的典型應用隔離

圖 5 採用 4DIR1400HA 的雙向單相雙有源橋接器（DAB）轉換器

ISOFACE™ 數字隔離器為高壓汽車應用提供功能和安全隔離。與非隔離式閘極驅動器一起，它們是 SMPS 的首選，具有高度的靈活性和集成度通信，尤其是與 GaN-IPS 的通訊。與收發器一起或獨立使用，它們適用於隔離通訊接口。

ISOFACE™ 四通道汽車數字隔離器具有寬電源範圍、高 CMTI 和 CTI 等特點超過 600 VRMS，可在 SMPS 應用和汽車應用中的隔離式通訊接口。

使用 4DIR1400HA 的 EV 中的 OBC >

OBC 是電動車最重要的部分。它是一種 AC-DC 轉換器，可提供穩定的 HV DC 輸出，以為板載電池充電。由於高效率是一個關鍵參數，因此數字控制器被廣泛使用，因為它們提供更靈活的控制機制和通訊能力。確保輸入到輸出的安全性隔離，通常使用具有增強型隔離的數字隔離器來傳輸 PWM 閘極控制透過隔離閘進行訊號和附加通訊。

例如，圖 5 顯示了英飛凌的 OBC 解決方案，該解決方案採用 AURIX™ 微控制器初級側用於控制功率因數校正（PFC）等級和 DAB HV DC-DC 轉換器。全橋整流閘極驅動訊號（高側和低側）透過兩個傳送到次級側汽車數位隔離器 4DIR1400HA 的正向通道。另外兩個通道用於輸出控制和回饋用於保護。

圖 6 使用 ISOFACE™ 4DIR2401HA 的隔離式 CAN 通信

隔離式 CAN 通信 >

控制器區域網路（CAN）通訊已廣泛應用於汽車應用。它有優點是物理層只需要一對電纜（兩條通訊線路）即可進行資料傳輸。在隔離式 CAN 介面中確保安全或防止雜訊幹擾時具有待機模式控制等附加功能，ISOFACE™ 四通道數字隔離器 4DIR2401HA 是提供電流隔離的首選。這種可靠的隔離器提供高 CMTI 以及極低的脈寬失真（PWD），這是實現可靠通訊的關鍵特性。此外，隔離器的預設高輸出狀態可確保通訊線路（通常在邏輯中在空閒狀態下為高電平）即使在發生故障時也將保持暢通狀態，從而防止潛在的電源輸入側的電源損耗。兩個通道（一個正向和一個反向）用於 CAN 通訊；另外兩個通道可用於 GPIO 目的，例如待機或模式控制。與英飛凌的汽車 CAN 收發器 TLE9251 一起，隔離式 CAN 介面的例子是如圖 6 所示。ISOFACE™ 4DIR2401HA 放置在控制器和收發器之間，以提供電流隔離。

圖 7 使用 4DIR1421HA 的隔離式 SPI 通信

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