【導讀】隨著工業和汽車領域對高可靠性、更長使用壽命和更高信號完整性的需求不斷增長，給高壓應用帶來了一系列挑戰。在高壓系統中，必須通過隔離手段構建可靠的隔離柵，將敏感的電子元器件與快速瞬變的高壓組件進行電氣隔離，以保證電源安全性、更好的系統性能和更高的可靠性。這需要考慮很多因素，包括隔離額定值、爬電距離和電氣間隙、共模瞬態抗擾度（CMTI）和電磁干擾（EMI）。
近年來，在光伏、充電樁、新能源汽車、儲能等新興需求以及工控、電源、電力等傳統應用有增無減的需求推動下，高壓數字控制應用的隔離需求日益增長，高效率和高可靠性數字隔離器進入了需求旺盛期。
碳化硅（SiC）等寬禁帶（WBD）器件和驅動產品在推進功率密度不斷提升的同時，也對隔離提出了更高的要求。現在，數字隔離器已成為助力高壓應用發揮巨大潛力的半導體器件之一，廣泛應用于光伏、新能源車、工業自動化系統、隔離SPI、RS232、RS485、通用多通道隔離和電機控制等。
高壓隔離遇到諸多挑戰
隨著工業和汽車領域對高可靠性、更長使用壽命和更高信號完整性的需求不斷增長，給高壓應用帶來了一系列挑戰：
高壓功率轉換必須在最大限度降低系統功率損耗的同時提高效率；高壓隔離設計需要有堅固的隔離屏障來保證系統安全；而在惡劣的工作條件下，需要解決高壓傳感難以準確測量溫度、電流和電壓的問題。
另外，寬禁帶功率器件的使用也使高壓系統的低延遲實時控制變得至關重要。為此，隨著電氣化進程的不斷推進，以及高壓電源系統復雜性的日益提升，設計人員需要在確保正確隔離級別和系統安全的同時，提高產品的性能和使用壽命。
所謂數字隔離器是一種在電氣隔離狀態下實現信號傳輸的器件，具有高工作電壓、低輻射、低功耗和高效率的特點，廣泛應用于工業控制、電力能源、通信網絡、儀器儀表、消費電子等各種電子系統設備中。
目前市場上有三種主流隔離方案：光耦隔離、電容隔離和磁耦隔離。
光耦是最早出現的隔離方式，它利用光的特性實現信號的單向傳輸。由于隨時間推移的光衰，光耦存在老化效應的問題。
電容隔離利用電容效應消除信號的交叉干擾，具有低傳播延遲，可以在超過150Mbps的速率下傳輸數據，消耗的偏置電流更少，但隔離邊界兩側需要單獨的偏置電源電壓。電容隔離的最大優勢是成本低，可以做成多路。
磁隔離則是通過磁場的屏蔽來隔離信號，在需要高頻DC-DC電源轉換的應用中具有優勢，但其成本相對高一些。
超寬體封裝應需而生
以光伏應用為例，除了需要單晶硅和多晶硅材料外，為了提升光伏組件的功率密度方面，已經將母線電壓提高到1500V，這就需要更大爬電距離的隔離器件來滿足國家標準GB4943.1-2022所規定的耐壓性能和爬電距離要求。為此，一些寬體（SOP），甚至超寬體（DWW）封裝應運而生，事實上，不同廠商對超寬體封裝的命名有所不同。
超寬體數字隔離器是一種高可靠性隔離產品，具有高電磁抗擾度、低電磁輻射、低功耗的特性，能夠承受更高的隔離浪涌電壓。超寬體封裝的爬電距離高達15mm，能夠滿足客戶高壓系統的安規要求，比如在光伏系統中，根據IEC 62109的標準要求，1500V系統增強絕緣條件下要求隔離器件的爬電距離＞14mm。
納芯微推出的超寬體數字隔離器NSI82xx系列就是這樣的產品，在提供15mm長爬電距離的同時，還具備優異的EMC性能，非常適用于光伏等對爬電距離有較高要求的高壓系統。該器件可兼容替代其他一些廠商的高精度、高速、雙向數字隔離器。
根據應用不同，NSI82xx系列產品分為NSI82xx-DSWWR/NSI82xx-Q1SWWR系列高可靠性、多通道超寬體數字隔離器。其中NSI82xx-DSWWR是工規產品，包括NSI822xWx-DSWWR (2通道)、NSI823xWx-DSWWR (3通道)、NSI824xWx-DSWWR (4通道)；NSI82xx-Q1SWWR是車規產品，包括NSI822xWx-Q1SWWR (2通道)、NSI823xWx-Q1SWWR (3通道)、NSI824xWx-Q1SWWR (4通道)。
NSI82xx-DSWWR系列超寬體數字隔離器已于2022年1月量產，目前已有電源、新能源車、電力、工業自動化、光伏系統、儲能、充電樁等領域的客戶在使用納芯微的超寬體數字隔離器。
瞄準高效率、高可靠、多功能
以四通道的數字隔離器NSI824x系列為例，其已通過UL1577安全認證，可承受多種級別絕緣耐壓（3kVrms、3.75kVrms、5kVrms和8kVrms），其中超寬體封裝可提供高達8kVrms的絕緣耐壓能力，數據速率高達150Mbps，CMTI高達200kV/μs（最小值）。
顯示NSI824x高速性能的眼圖
該系列器件提供數字通道方向配置和輸入缺失時的默認輸出電平配置；寬電源電壓支持與大多數數字接口直接連接，易于進行電平轉換；較高的系統級EMC性能提高了使用的可靠性和穩定性。
NSI824x系列采用電容隔離技術，數字信號由發射器側的內部振蕩器產生的RF載波調制，然后通過電容隔離傳輸，并在接收器側進行解調。該調制采用納芯微專利的Adaptive OOK?調制技術，具有高抗噪性和低EMI的優點。
單通道功能框圖和OOK調制
NSI824x系列的主要特性
NSI824x數字隔離器具有豐富的功能特性，具體如下：
● 絕緣電壓：最高達8kVrms（超寬體封裝）
● 數據傳輸速率：DC至150Mbps
● 電源電壓：2.5V至5.5V
● 高CMTI：200kV/μs（最小值）
● 芯片級ESD：±8kV（人體模型）
● 強大的電磁兼容性（EMC）
● 系統級ESD、EFT和浪涌抗擾度
● 低電磁輻射
● 默認輸出高電平或低電平選項
● 低功耗：1.5mA/ch（1Mbps）
● 低傳播延遲：＜15ns
● 工作溫度：-55℃～125℃
● 符合RoHS規范的封裝：SOP16 (150mil/300mil/600mil)，SSOP16
NSI824x數字隔離器通過的安規認證如下：
● UL1577認證：絕緣電壓最高達8kVrms（1分鐘）
● CQC認證：符合GB4943.1-2011
● CSA認證：組件符合5A
● DIN VDE V 0884-11:2017-01增強型隔離認證
IPM的典型PWM隔離電路
PCB布局小貼士
在PCB布局時需要注意的是，NSI824x的VDD1和GND1、VDD2和GND2之間需要0.1μF的旁路電容器，電容器應盡可能靠近封裝放置。在所推薦的PCB布局正面，需確保芯片下方的空間沒有平面、跡線、焊盤和過孔。
推薦的PCB布局正面和背面
如果系統噪聲過大，為了增強設計的穩健性，用戶還可以使用與輸入和輸出串聯的電阻器（50～300Ω）。串聯電阻器還可提高系統可靠性，例如閂鎖抗擾度。隔離器驅動通道的典型輸出阻抗約為50Ω，±40%。當驅動傳輸線影響負載時，輸出引腳應適當端接可控阻抗的PCB跡線。
現在，數字隔離器已成為助力高壓應用發揮巨大潛力的半導體器件之一，廣泛應用于光伏、新能源車、工業自動化系統、隔離SPI、RS232、RS485、通用多通道隔離和電機控制等。
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