引言

在高壓應用中,，實現有效的電氣隔離至關重要,，它可以避免多余的漏電流在系統(tǒng)中具有不同地電位（GPD）的兩個部分之間流動[1]。如圖1（左）所示,，從輸入到輸出的DC返回電流可能導致兩個接地之間產生電位差，從而導致信號完整性降低,、質量下降,。這就是隔離器（即隔離式柵極驅動器IC[2]或數字隔離器）的用武之地，如圖1（右）所示,。隔離器通過阻止電路兩部分之間的DC和不受控的AC電流流動,，僅允許通信信號和功率通過隔離屏障。此外,，隔離器還為人與高壓系統(tǒng)的交互提供了必要的保護,，并提供了電平轉換功能，使不同電壓級別的系統(tǒng)之間可以互動,。

通常而言,，隔離器大致可分為兩類：光隔離器和數字隔離器。

光隔離器,，通常被稱為光耦,，是一種模擬隔離產品，它利用光通過隔離屏障來傳輸信號,。光隔離器因其問世早,、價格具有競爭力，數十年來在業(yè)內被廣為使用,。然而,，LED的開關速度將可實現數據速率限制在了每秒幾兆位。此外,，光隔離器還需要使用額外的板載電路元件,，來提供適當的偏置并驅動集成式LED。這要占用額外的PCB面積,，并增加了應用的物料成本（BOM）,。盡管現在的技術可以將外部偏置和驅動電路集成在一個封裝中，來最大限度地縮小PCB的尺寸,、實現更高的速率,，但這會大幅增加解決方案的成本,。

另一方面，數字隔離器使用電容或電磁隔離技術,，來傳輸信號,。這些技術大幅縮小了隔離元件的尺寸，同時實現了較長的使用壽命[3],。由于與光隔離器相比,，數字隔離器具有如下優(yōu)勢，因此,，近期已成為諸多應用的首選：

? 優(yōu)化系統(tǒng)BOM物料成本,，縮小PCB面積

? 準確的時序特性，更低的功耗

? 增強的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

? 可靠的絕緣壽命,，獲得了元件級標準IEC 60747-17的認證

? 集成更多功能,，例如：輸入濾波器、收發(fā)器（例如：CAN, RS-485）,、輸出使能選項

表1總結了光隔離器和數字隔離器之間的主要區(qū)別,。

英飛凌第一代ISOFACE?數字隔離器2DIBx4xxF 

為了滿足工業(yè)應用日益增長的隔離需求，英飛凌發(fā)布了其第一代雙通道數字隔離器,，兼具高堅固性,、精確的延時性能與低功耗。

這款新產品采用了英飛凌的無芯變壓器（CT）技術專利,。這項創(chuàng)新技術利用半導體制造工藝,，集成了一個片上變壓器，該變壓器包含金屬線圈,，由二氧化硅絕緣屏障進行隔離（如圖2所示）,。這種方法可以通過耦合變壓器傳輸信號。

此外,，該產品還集成了抖動濾波器,、通信調制、看門狗和欠壓鎖定（UVLO）等功能,，哪怕在存在嚴重的高壓和嘈雜的工業(yè)環(huán)境中,，也能確保穩(wěn)健、安全的數據傳輸,。

不同產品型號具有不同的通道配置,、失效安全默認輸出狀態(tài)，以及可變或固定的輸入閾值,，詳見表2,。

該雙通道數字隔離器系列通過了器件級UL-1577和IEC 60747-17（VDE 0884-17）標準認證，并且還具有系統(tǒng)認證，例如：針對電信和服務器應用的IEC 62368-1,。其爬電距離和空間距離為4mm,，非常適用于需要基本隔離的應用，例如：低壓DC-DC塊,、高邊浮動驅動器,，以及隔離式UART/CAN通信。

表3總結了英飛凌ISOFACE?雙通道數字隔離器的特點以及為客戶帶來的優(yōu)勢：

ISOFACE?雙通道數字隔離器的應用示例

隔離式低壓DC-DC塊 低壓DC-DC電源模塊廣泛應用于電信和服務器 開關模式電源（SMPS） ,，旨在實現穩(wěn)定的12-VDC輸出[4],。為了滿足對更高功率密度、更強安全性,，以及通信能力的日益增長的需求,，800W以上的隔離式DC-DC模塊主要采用全橋到全橋（FB-FB）拓撲結構，由位于主電源變壓器次級側的數字控制器控制,。為確保輸入到輸出的安全隔離,，通常使用具有基本絕緣功能的數字隔離器，來傳輸PWM柵極控制信號,。 以圖3為例，圖中顯示了英飛凌的隔離式1kW DC-DC模塊解決方案,，它利用次級側XDP? XDPP1100數字功率控制器,，來控制初級側全橋拓撲結構。PWM信號通過ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIB0410F進行傳輸,。 電源轉換器的兩側均使用電平轉換EiceDRIVER? 2EDL802x柵極驅動器IC,。數字隔離器的兩個通道傳輸互補的PWM信號，用于對全橋對角線上不同橋臂的兩個OptiMOS?功率MOSFET進行控制,。不僅如此,，ISOFACE? 2DIB0410F還提供一個固定的TTL輸入閾值，不受SMPS 應用VDD電源線上的噪聲影響,。默認的低輸出狀態(tài)可確保當數字隔離器的輸入側供電低于欠壓鎖定電壓（UVLO）時,，安全關斷所有MOSFET。

隔離CAN和UART通信 

控制器局域網（CAN）和通用異步收發(fā)器（UART）通信被廣泛應用于工業(yè)和汽車應用,。其共同優(yōu)勢在于,，物理層只需一對連接線（兩條通信線）即可進行數據通信。

當需要確保隔離CAN或UART接口的安全性或防止噪聲干擾時,，ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIB1401F便脫穎而出,，成為電氣隔離的理想選擇。

這款可靠的隔離器可提供高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）和極低的脈寬失真（PWD）,，而這些都是實現可靠通信所需的關鍵特性,。此外，隔離器默認的高輸出狀態(tài)，即便在發(fā)生故障時,，也可確保通信線路（在空閑狀態(tài)通常處于邏輯高電平）暢通無阻,，從而防止輸入側出現潛在的電源損失。 圖4顯示了隔離式CAN接口的一個示例（與英飛凌的CAN收發(fā)器TLE9251一起使用）,。ISOFACE? 2DIB1401F位于控制器和收發(fā)器之間,，用于提供電氣隔離。

GaN IPS半橋的功能隔離 

最近,，650 V 氮化鎵（GaN）HEMT在SMPS設計中的重要性與日俱增,，這要得益于它可以以更高的開關頻率工作，同時顯著降低能耗,。此外,，將氮化鎵開關與集成柵極驅動器整合到一個封裝中的GaN集成功率級（IPS） ，在打造具有更高功率密度,、更少元器件以及最小寄生效應的設計方面,，正在成為越來越受歡迎的選項。

為確保高邊GaN IPS正常運行,，由于柵極驅動器參考開關中點,，必須使用數字隔離器來為柵極驅動器執(zhí)行電平轉換功能。由于GaN HEMT能夠產生高達100 V/ns的快速dv/dt切換,，因此,，可能會產生高共模瞬變，因此需要使用一個可靠的解決方案,。ISOFACE?數字隔離器就適用于這種情況,，它可以提供最小100 V/ns的CMTI，并確保PWM信號的可靠傳輸,。 圖5展示了使用ISOFACE?雙通道數字隔離器2DIB1410F用于高邊浮動驅動的示例,。它使用了一個正向數據通道，來傳輸柵極信號,，同時使用反向通道將故障反饋信號傳送至控制器,。

為低邊GaN IPS選擇另一個ISOFACE? 2DIB1410F同樣可取。為了平衡高邊和低邊信號路徑之間的傳播延遲,，以及為GaN IPS（功率地）和控制器（數字地）的不同接地提供隔離,，我們強烈推薦這一方式。

結論

總而言之,，英飛凌先進的ISOFACE?數字隔離器集低電流消耗,、改進的共模瞬態(tài)抗擾度和高傳播延遲精度為一體，是高壓數字控制應用的堅固而又可靠的選擇,。當與英飛凌的XDP?數字控制器,、EiceDRIVER?柵極驅動器IC以及功率開關（例如：OptiMOS?,、CoolMOS?、CoolSiC?和CoolGaN?）產品組合聯用時,，便可打造一個完整的系統(tǒng)解決方案,，滿足現代電力電子應用日益增長的隔離需求。

利用這些前沿技術,，英飛凌的客戶將能從較高的電源安全性,、更好的系統(tǒng)性能以及更高的可靠性中獲益，并滿足高壓數字控制應用日益增長的隔離需求,。