以典型案例详解数字隔离技术在电源中的应用

原创编辑部 TechSugar 昨天

有高低压模块的系统，高低压模块之间的通信，通常都要用到隔离技术。隔离最主要的需求来自安规需求，即防范人体以及低压设备承受高压或者浪涌的冲击；其次是性能的需求，隔离能够消除地环路，同时能够隔离噪声，提高整个系统的容错性。

传统隔离方法采用光耦来实现，据估算现在光耦隔离市场容量约为一年一百亿个通道，光耦隔离已经是非常成熟的方案，但光耦在应用上有很多限制，比如工作温度范围窄、外围电路复杂、体积大，以及寄生参数大和时序一致性差等缺点。

相对于光耦来说，数字隔离在可靠度、功耗、尺寸和集成度上都有非常明显的优势，因此一经推出就受到市场欢迎，近年来增长势头迅猛，抢占了不少原属于光耦隔离的市场，现在年市场出货量已经达到数十亿个通道，还在快速成长中。

电源产品的主要功能就是在不同电压标准之间进行变换，其高低压模块一般需要进行隔离处理，因此在电源产品中可以看到大量的隔离技术应用。很多工程师开始接触数字隔离时可能对具体应用方法并不清楚，纳芯微技术支持团队针对电源应用中的常见场景，例如快充适配器、GaN驱动、车载充电、二次电源和板内通信隔离等，进行了详细分析，对此感兴趣的，可以参考如下的文字解读，以及文末的视频教学。

NSI812xD在塑封模块电源GaN驱动中的应用

开关电源产品为了减小体积、提升功率密度，会采用提高开关频率来减小磁性器件的体积，但是开关频率提高以后又会导致开关损耗的增加，MOS管的开关应力和EMI都会恶化，此时一般就会采用氮化镓来替代碳化硅。氮化镓器件没有体二极管，所以就没有反向恢复损耗，它的开关瞬态应力和EMI都会减小，同时，氮化镓器件的栅极和输出电容小，在高频工作场景下的开关损耗也会比传统的碳化硅要低，所以在高频应用中，一般会选择氮化镓做功率器件。

对驱动电路而言，传统分立电路因为寄生参数影响，驱动上升沿等振荡需要串联驱动电阻来抑制，但是驱动电阻的增加又会导致驱动延时增加，以及开关损耗增加；在高频工作场景下，这些影响会进一步放大。所以，氮化镓的制造厂家会选择把MOS管和驱动封装在一起，这样寄生参数可以大大减小，不需要驱动电阻也可以获得很好的驱动稳定性，同时又提高了MOS管基级的ESD耐压能力。

在高频氮化镓电源应用中，对数字隔离器的要求也会不同，比如要求传输的速率更快，共模瞬态抑制能力强，同时体积又要足够小。纳芯微DFN封装的数字隔离器NSi812xD可以满足高频氮化镓应用的所有要求，其应用在PFC电源上，可以实现四分之一端输出功率超过1.5千瓦，开关频率1.6MHz。

市场上常见的标准数字隔离器封装一般是SOIC8或者SOIC16，采用DFN封装的NSI812xD最主要的特点就是体积小。该芯片专门针对 I 类环境的电压产品，比如电压低于60V，或者是在密闭环境带塑封的模块，这类应用对隔离电压与爬电距离的要求相对较低，使用NSi812xD可以大大减小布板面积，同时 I 类产品的其他性能需求也都能用NSi812xD满足要求。

小米10配置的65瓦快充适配器设计优化

下图是小米10的65瓦快充适配器的典型电路，DC部分的主拓扑是ACF（ActiveClamp Flyback，有源钳位反激），主MOS管是两颗带驱动能力的氮化镓器件，主控芯片放在原边，给主MOS提供驱动，由于上面的钳位MOS管浮地，所以使用了一颗半桥驱动来传递驱动信号，看起来有一点多余，但也是必要的。

优化设计时，可使用一颗单通道DFN封装的NSi812xD来解决钳位MOS管的浮地问题，主MOS管本身可以直接驱动，因为主MOS管带驱动能力，这样可以大大减小体积和成本；反馈部分也可以使用纳芯微NSi3192，这颗芯片能提供很好的隔离线性反馈功能，可以大大减小体积、布板面积，以及提升线性反馈能力。

二次电源应用案例

二次电源产品输入一般是48V（母线），最高输入电压不超过60V，这类产品由于电压低，所以隔离等级与爬电距离的要求相对较低。

纳芯微DFN数字隔离器适用此类应用，这类产品的主控芯片一般放在副边，可以使用数字隔离器来传递驱动信号，纳芯微后续还将推出隔离驱动产品，直接把驱动和数字隔离集成在一个封装里面，进一步减小驱动电路的体积。

还有一些二次电源的应用，需要从辅助电源里取一部分电压给后级三次电源供电，由于辅助电源此时也参与了后面的送电，在类似远程掉电等控制功能上，就需要主控芯片控制辅助电源实现关断，此时两颗芯片之间需要隔离的通信交换，所以可以用标准的双向隔离芯片。

AC/DC电源应用案例之PSU

典型AC/DC电路通常采用PFC（功率因数校正）加LLC的拓扑形式，一般会有两颗主控芯片，原边一颗，副边一颗。

原边主控芯片主要负责PFC的控制，副边主控芯片主要负责LLC部分，以及对外部的信息交互。这里用到的隔离器件就包括LLC的隔离驱动NSi6602（当然也可以用非隔离驱动加标准数字隔离器的解决方案）；第二个用到隔离器件的地方是两颗主控芯片之间的信息交互，我们用标准隔离器NSi8241来传递信号；第三个是对外的接口隔离，比如CAN隔离，485总线隔离，此时可用标准隔离芯片NSi8121,也可以用集成收发功能的隔离芯片来实现通信的隔离。

再看安规绝缘的实现，对于AC/DC电路，一般原边或副边各个网络对地的绝缘要求是基础绝缘，基础绝缘的爬电距离一般是2到4毫米，对于基础绝缘部分电路，一般选用SOIC8封装的隔离芯片；对于跨原副边的电路，要求加强绝缘，爬电距离一般要求6.4毫米以上，在这里一般选择宽体的SOIC16封装的隔离芯片，例如NSi6602。

AC/DC电源应用案例之OBC

OBC（On Board Charger,车载充电）是另一种典型的AC/DC电路，其主功率拓扑与前面的电路大同小异，但控制上有区别，并没有在原副边各放一个主控芯片，而只在原边放了一颗芯片，来管理主功率的整体拓扑电路，所以副边的信号采样与驱动，都需要通过隔离芯片来实现。副边的MCU主要负责板上其他电路的管理，以及对外的交互。

纳芯微的隔离产品覆盖很全面，包括隔离驱动NSi6602，隔离采样NSi13XX，以及通信用的标准隔离器NSi8221，和前面提到的隔离接口的芯片。

隔离采样芯片NSi13XX系列需要重点关注，因为电动汽车需要非常准确的电流测量来提高传动效率，所以使用集成隔离与采样功能的芯片，可以应对汽车产品恶劣的使用环境，提高电流采样的可靠性。因为隔离与采样功能集成在一起，也能缩小体积，减少PCB占用面积，功耗也相对较低。

板内通信隔离应用

板内通信隔离应用有两种典型的隔离应用场景。

一种是ACF模块中ACF芯片与主控芯片之间的通信，在远程掉电功能中，主控芯片需要通过高低电平控制ACF芯片下电。另外，ACF自身功能实现，也需要用到隔离器件，例如防倒灌保护功能，需要用ACF控制芯片中发一个信号，来关闭副边的同步整流管。

另一个典型应用为AC/DC中PFC主控MCU与LLC主控MCU之间的通信，非及时信号用异步TX/RX来传送，及时信号要用专门信号去传递，例如AFCOK信号与PFCOK信号，需要让双方知晓，PFC电路与LLC电路何时已正常工作，在这些应用中，都可以采用数字隔离措施。

对于这种高低电平信号的传输，有的工程师可能会认为用光耦更划算，光耦在单颗元件成本上确实具备优势，但综合考虑整体方案成本及性能，数字隔离方案在一些场景中仍是优选方案。具体来看，光耦最大的缺点是对温度的依耐性非常高，温度变化引发的光耦性能变化会导致电路性能下降，因此在高温工作环境与对体积要求高的应用场合，数字隔离器是更好的光耦替代方案。

用NSi3190实现母线电压采样

在隔离电源母线电压采样应用中，可以采用纳芯微最新推出的误差放大器NSi3190。

对于AC电源，一般原边有DSP或MCU，所以输入电压采样可以直接通过电阻分压来得到；在隔离DC电源中，有时候会把电源控制芯片放在副边，这种配置下对原边电压采样，可以用隔离运放NSi1311来实现。

有没有更低成本的方案？用纳芯微最新推出的隔离误差放大器NSi3190，这里只举一个非典型应用场景，如图所示，先将NSi3190接成跟随器模式，这样就可以把母线电压很方便地传递到副边，利用母线电压采样数据，可以实现输入欠压保护、输入电压前馈，以及输入电压上报。

NSi3190的特点如下：

成本低，千颗单价只有NSi1300的53%；
面积小，根据绝缘要求不同，可以选择窄体或宽体封装；
带宽高，可以达到400KHz,一般隔离运放带宽为300KHz，因此NSi3190对电压前馈响应更快；
精度比NSi1300系列低，全温度范围为±2%。

用户可以根据应用场景需求，灵活选择不同的电压隔离方案。

隔离功率上报应用方案

在隔离功率上报应用中，可以采用隔离运放分别采样电压（NSi3111）和电流（NSi1300）,该方案的优势是高带宽与高灵活性兼具，非常适用于数字电源实现。

还有一种方案是采用功率控制芯片INA226，再加上数字隔离器NSi8100，该方案的优势是设计简单，通过对INA226的简单配置，就能实现电压、电流和功率的自动上报，并不需要数字电源进行计算就可以直接上报给上位机，该方案的缺点是因为上报功能集成在INA266内，所以灵活性差，不能用于快速保护，只能用于纪录平均功率，而且速度不快——但采样速度可配置。

点击下方视频，观看讲师的详细解读

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