纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

Release time:2023-10-09
author:AMEYA360
source:纳芯微
reading:2459

  要说电路设计有什么需要投入100%关注度,那一定要包含隔离器。

  隔离本身并不具备特别的计算、处理或转换能力,但是其发展却与工业、汽车、医疗、家用电子等发展息息相关。它的高可靠性和高性能是系统安全的保护神,所以千万不要在你的电路设计中忽略了隔离。

  隔离,隐形的守护者

  可不要觉得隔离是老生常谈的问题,它关乎着电路的安全,也关乎着人身安全。

  简单来说,电子设备中,执行系统与控制系统间电压不同,一个是数百伏交流,一个是低压直流,就和生活中,我们会把低压和高压隔离开来一个道理,高压系统往往会更容易出现静电放电、射频、开关脉冲和电源扰动,引起电压浪涌,这比许多电子元件的电压极限高出一千倍。最重要的是,这些高压除了给电子电路带来噪音和危害之外,更可能对人体造成危害。

  举一个简单的例子,电动汽车内电池电压可达400V,甚至是800V,但驾驶员依然可以从容且安全地操作各类设备、仪表和旋钮,这离不开各种形式的隔离,它们构建了高低压之间安全可靠的联系。

  既然影响深远,用什么隔离就显得尤为重要。

  自从电力为人所用开始,人们就渴望安全可靠的电力控制手段。19世纪30年代,美国物理学家约瑟夫·亨利在研究电路控制时,利用电磁感应现象发明了电磁继电器。利用电磁铁在通电和断电下磁力产生和消失的现象,来控制高电压高电流的另一电路开合,它的出现实现了电路远程控制和保护。

纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

  利用一节干电池控制电磁铁,就可以驱动220V交流电,实现安全的控制(或信息传输),有种四两拨千斤的感觉。这种简单的步骤就是隔离的本质,即两个不相干的彼此绝缘的电路间,通过某种方式实现关联。

  不过,电磁继电器的劣势显而易见,体积大、功耗高、易损坏。

  为了克服以上缺点,光耦便应运而生,它利用光电转换实现了传输与控制,在芯片级尺寸上实现相类似功能。基于光敏电阻的光隔离器于 1968 年推出,相比于变压器,光耦体积小、重量轻、价格便宜并且可靠性高,迅速成为了市场主流。光耦发展的时代,也是集成电路和信息化发展的时代,低压控制计算单元与大功率的电机、电源之间的交互越来越多,光耦也得以大发展。

  当然,微电子领域性能、功耗、体积是永远的话题,任何强大的技术也无法脱逃它的束缚。光耦如今也遇到了电磁继电器同样的问题,受限于激光器和光敏二极管,其尺寸、功耗、可靠性等都都失去了优势。

  随着半导体技术的发展,数字隔离器成了冉冉升起的新星。

  数字隔离器的爱恨情愁

  数字隔离器并不难理解,它和光耦类似,只不过是将光电转换调制变成了其它技术。不过,相比而言,数字隔离器不会出现光学衰减等现象,与光耦不同,凭借半导体技术,数字隔离器拥有诸多优势,包括开关特性好、不易老化、高可靠性、高耐压、高速率、可传输能量等。

  数字隔离器根据基本原理又可划分为电容隔离器和磁隔离器。

  电容隔离顾名思义,是利用芯片内部的微型电容进行芯片左右两侧的高压隔离,中间使用高电介质材料进行电压阻隔。电容器是一种能够存储电荷的元件,它由两个导体板和介质组成,其特性是通高频、阻低频,中间介质可以隔离低频或者直流高压信号。

  利用电容器通高阻低的特性,可以进行信号的调制传输。当输入一个高低高低的数字信号以后,芯片内部会进行信号调制,高频调制低频信号,使其可以传输到芯片另外一侧。典型的OOK(On Off Key)调制就是把“0、1”两个信号,用不同频率调制,比如高频信号代表1,没有调制的直流信号代表0,然后传输两个状态切换的信号。

纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

  电容隔离器产品框图及OOK示意图

  磁隔离器方面,与电容类似,只不过采用线圈的方式,利用电磁变换进行数据传输。

  总而言之,数字隔离器进一步解决了光耦在可靠性、传输速率、鲁棒性、尺寸、寿命等不足之处。

  科技领域从来不存在完美,数字隔离器的优势很明显,但总会有一些权衡取舍。

  首先,由于数字隔离器相对较新,因此其可靠性在不断完善和论证中。伴随相关国际标准、国内标准相继建立,现已形成一整套完善的认证流程和标准,也逐步获得了各类客户的认可。

  其次,目前光耦依然在业界占有主导地位,尤其是在一些传统应用中。因此,从光耦向数字隔离器的切换并不能一蹴而就,由于数字隔离器引脚和输入类型不完全兼容,这时就需要对设计进行改版,有时客户因为风险考虑,替换意愿不足。也正因此,业界提供了一种原位替代的方案,可以直接替代光耦,引脚兼容,在输入特性上内建电路模拟二极管特性,与光耦器件完全相同,应用设置也相同,可以实现直接进行设计替代。

  最后,电容隔离器可能会存在共模干扰问题,需要想办法抑制。

  通常的OOK技术比较直接,进来的信号是什么,就直接进行相应调制,然后在另外一边进行相应的解调。高频调制后,信号和高频共模电路都通过一个路径进行传输,因此会有共模干扰存在,这也是普通电容隔离器的不足之处。

  正是因为存在上述的问题,所以在挑选器件时才更要格外上心。有几种可以明显提升抗共模干扰能力的方法,以国内隔离器厂商纳芯微为例,其在OOK基础上开发出了Adaptive OOK®调制专利,提升了数字隔离器的抗共模干扰能力。

  所谓Adaptive其实就是自适应,通过芯片内部共模检测电路检测共模信号状态,再根据检测信号,动态、自适应地调节内部关键电路特性或增益,在共模噪声较大时,可以更好地抑制噪声,从而拥有更好的鲁棒性,提升隔离器的抗共模干扰能力。

  自适应的另一个好处是不需要在全工作状态下保证较高的抗共模干扰能力,只有当瞬间干扰比较大时,电路才需要执行更多功能以抑制干扰,而在大部分没有恶劣工况、抗共模干扰需求较低情况下,Adaptive OOK®技术则可以平衡系统性能及功耗,从而优化整体表现。

  让隔离更进一步

  从数字隔离器细分市场来看,磁隔离器只有少数公司提供,电容隔离器则是更多企业的选择,且出货量增长非常迅速。这里面不乏专利的原因,另外则是由于电容隔离在整个生产制造上相对简单,和一般的非隔离器件的晶圆生产差别不大,从而使得电容隔离在成本上有较大的优势。

  其次是电容隔离工艺能力的改善,性能也在不断的提升,特别是耐压能力、抗浪涌耐压能力等已经基本与磁隔离一致,使电容隔离同样能够满足丰富场景。

  就拿纳芯微产品来看,便可印证上述趋势。比如纳芯微第一代的NSI81xx系列是满足基本隔离要求的产品,第二代的NSI82xx系列则满足了增强型隔离的要求,另外在抗共模干扰能力,EMC性能等电气性能方面也得到了强化。据纳芯微透露,其第三代产品还将继续提升耐压性能及鲁棒性。

纳芯微数字隔离器:系统和人身安全的隐形守护者

  不同的隔离等级介绍

  电容隔离器其实是“螺蛳壳里做道场”,虽然原理简单,但一些工艺和微架构的优化创新都对整体性能有着非常大的影响。比如从OOK到Adaptive OOK®,这种让数字隔离器“更进一步”的努力,纳芯微还做了很多。

  首先,在性能上,工艺能力及微架构优化可促进耐压能力不断提高。比如同样是用SiO2高电介质填充,还需要掺杂不同元素来进一步提升耐压能力。另外电容的电场场强分布对隔离的耐压能力也是有较大的影响,因此每一家厂商的电容的结构、形状等微架构设计,都会影响性能。

  其次,在鲁棒性上,对于隔离产品的应用场合来说,更多的是工业和汽车等高压应用场景,隔离产品是属于安规产品,涉及安全相关,在这些场景下,一定要选择经过安规认证的产品。

  无论是模拟、接口、信号链等产品,厂商都需要推出不同的产品系列,以满足更多的应用场景,隔离类产品也不例外。通过基础的隔离功能,再结合其他接口、驱动或者采样等相关知识,便可让隔离技术有着更广泛的应用。

  从应用场景反推出产品定义是产品开发的主要思路,同时也是最主要的挑战,这些围绕应用进行的“隔离+”产品的定义和单纯的数字隔离器并不完全相同。

  比如隔离驱动,除了要处理数字信号,还要求厂商在具体应用场景中熟悉驱动相关的功率知识、与不同厂商功率管适配。更进一步的是,碳化硅等第三代宽禁带半导体应用对隔离驱动的安全和数据传输有更多要求。

  而在隔离接口产品中,则需考虑ESD、抗干扰能力等,隔离采样则还额外需要高精度信号链领域的积累。

  此外,隔离器有时需要与电源共同使用,因此也诞生了集成隔离电源的隔离器。

  我们看到纳芯微等国内外公司都在不约而同地布局更多隔离产品大类,从单一品类转向“隔离+”拓展策略,为更多产品提供隔离能力。

  除了产品种类丰富之外,伴随着新应用、新市场越来越多,也让数字隔离器和光耦处在了同一起跑线上。包括电动汽车、光伏、储能中越来越多细分应用领域正在涌现,对于数字隔离器的需求激增,在这些新应用的设计过程中,客户更愿意尝鲜数字隔离器。

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纳芯微 | SPI 隔离通信实战避坑:数字隔离器输出并联电平异常的原因与解决方案
  在工业系统 SPI 一主多从通信架构中,为节省 IO 资源,数字隔离器输出通道并联复用是常见设计,但实际应用中极易出现电平无法正常拉高 / 拉低的异常问题,严重影响通信稳定性。本文先梳理工业系统主流通信方式及 SPI 隔离的应用场景,深入剖析数字隔离器输出并联导致电平异常的核心原因,再针对性给出两种经实测验证的解决方案(CS 反向使能电路、二极管反向阻断配合软件配置),并明确实施过程中的关键注意事项,为工程师解决同类 SPI 隔离通信问题提供直接参考。  01 工业系统常见通信方式  通信接口是硬件系统中实现数据交换的核心模块,常分为内部通信接口(板级通信)、外部通信接口(对外通信),如图1,不同接口在速率、距离、复杂度等方面各有特点,是纳芯微产品主要的应用场景之一。图1 板级通信和对外通信  板级通信  板级通信为设备内部组件间的通信,通常具备速度快、距离短的特性,通常具备速度快、距离短的特性,常见有UART、I2C、SPI、单总线等。具体参数如表1所示:表1 板级通信具体参数  对外通信  对外通信为设备级信号传输,用于实现设备间的数据交互,多采用差分传输方式,具备传输距离远的优势,常见类型包括 RS-232、RS-485、CAN 等,具体参数如下表所示:  表2 对外通信具体参数  02 隔离SPI机会点  SPI全称为Serial Peripheral Interface(串行外设接口),由摩托罗拉公司开发的一种同步、全双工、主从式串行通讯总线,可以实现一主多从的通讯连接。  在硬件连接方式上,SPI常用4线制(SCK、MOSI、MISO、CS/SS),各信号线的传输方向及功能描述如下表3所示:表3 SPI各信号线的传输方向及功能  SPI一主多从的通讯拓扑,MOSI、MISO、SCK常采用复用接口,节省IO资源,通过独立的CS/SS实现从机选择。如图2所示。图2 SPI 一主多从基础拓扑  在工业系统中,MCU高压域与低压域之间需要做通讯隔离,纳芯微隔离器NSI8241W(3正1反)适用于SPI信号隔离。对于一主一从的隔离方式,4通道刚好一对一匹配(3正向通道对应SCK、MOSI、CS/SS,1反向通道对应MISO)。对于一主多从的拓扑架构,同样会复用通道节省IO资源,如图3示例。图3 带数字隔离器的SPI主多从拓扑  03 数字隔离器输出并联问题及解决方案  数字隔离器隔离SPI复用通道实际测试时,会发现复用MISO会出现电平异常,当一路输入高,一路输入低的情况下,MISO不能完全被拉高或者拉低。如图4,两颗8241 Out口复用,输入分别给高、低时,MISO波形。图4 Vdd1=Vdd2=5.25V,IND1高,IND2低 黄色OutD1=蓝色OutD2≈2.5V  数字隔离器Out内部为推挽输出:输入为高时,推挽上管导通,输出高电平;输入为低时,推挽下管导通,输出低电平。当输入一高一低时,就会形成分压回路,造成MISO电平异常,如图5,这显然与SPI中规定MISO复用冲突(当SS拉低使能时,从机输出配置为推挽输出,当SS拉高时,从机输出需配置为高阻态,防止多个输出导致电平冲突)。图5 数字隔离器内部分压回路  查阅NSI8241真值表(如图6所示),当EN拉低时,数字隔离器可以输出高组态,能够满足SPI复用要求。因此我们给出以下电路调整方案,来实现数字隔离器输出口并联复用需求。图6 NSI241真值表  方案1  CS 处增加反向电路,同步使能数字隔离器  在CS处增加反向电路(NPN、PNP、反相器等,需考虑Vce压降)同步使能数字隔离器。CS拉高禁用时,数字隔离器EN拉低禁用,Out复用输出高。  方案2  二极管反向阻断 + 软件配置,实现并联复用  通过二极管进行反向阻断,配合软件配置合理实现数字隔离器输出并联复用。  但需要注意的是:  (1)需添加上下拉电阻,明确默认电平,同时满足信号上升沿、下降沿的时间要求;  (2)需考虑二极管压降对电平幅值的影响,避免因压降导致通信误判;  (3)当一路输出通道由高电平切换至低电平时,受寄生参数影响,可能会短暂通过二极管抽取另一通道电流,需重视由此产生的电压尖峰问题。  结论与建议  在工业 SPI 一主多从隔离通信场景中,数字隔离器输出通道并联复用是节省 IO 资源的常用方案,但因隔离器内部推挽输出结构,直接并联易导致电平异常。本文通过分析异常产生的核心原因,提供了两种经实测验证的解决方案(CS 反向使能电路、二极管反向阻断 + 软件配置),同时明确了实施过程中的关键注意事项。工程师在实际设计中可根据项目需求选择合适方案,规避电平异常问题,保障 SPI 通信的稳定性。  高可靠性四通道数字隔离器NSI824x已通过 UL1577 安全认证,支持3kVrms-8kVrms 多档绝缘电压,同时在低功耗下提供高电磁抗扰度和低辐射。数据速率高达 150Mbps,共模瞬态抗扰度 250kV/μs。支持数字通道方向及输入失电默认输出电平配置,宽电源电压可直接适配多数数字接口,简化电平转换;高系统级 EMC 性能进一步提升使用可靠性与稳定性。
2025-12-05 11:20 reading:176
纳芯微车载电源芯片方案,选Ta就稳了!
纳芯微NSUC1610成功斩获「年度优秀电机控制技术产品奖」!
连续5年获奖,纳芯微荣膺第二十届“中国芯”“整车芯应用卓越产品”和“优秀技术创新产品”
  近日,以“芯生万物 智算无界”为主题,2025年“中国芯”集成电路产业促进大会暨第二十届“中国芯”优秀产品征集结果发布仪式在珠海横琴圆满举办。活动期间,纳芯微凭借在汽车电子领域的系统级应用能力与技术创新实力,荣膺“中国芯”两大奖项—— “整车芯应用卓越产品” 与 “优秀技术创新产品”,成为业内极少数在同一年同时获此双项荣誉的企业。获奖产品分别为 全集成嵌入式电机控制芯片 NSUC1610-Q1QNR 与 汽车级集成式耐腐蚀绝压传感器 NSPAS5 系列。  “整车芯应用卓越产品”主要表彰对国内汽车工业发展具有突出贡献的车规级芯片。该奖项强调产品的关键参数竞争力、可靠性稳定性、技术路线清晰度及在整车关键域控中的广泛落地情况。获奖产品 NSUC1610 是国内首款高集成度车用小电机驱动芯片,填补国内新能源汽车热管理电机控制处理器“MCU+”芯片空白,已覆盖国内多家主流 OEM。“优秀技术创新产品”旨在表彰具备显著技术突破与创新价值的集成电路产品。NSPAS5 系列具备业界领先的响应速度(<1ms),支持模拟比例 / 绝对输出,量程覆盖 10kPa~400kPa 可定制,并具备高耐腐蚀能力,面向汽车动力系统、热管理等核心应用场景。  自2021年以来,纳芯微连续5年荣获“中国芯”奖项,产品覆盖车规级MEMS绝压压力传感器晶圆NSP163X系列(2021)、高可靠性隔离式双通道栅极驱动器NSI6602系列(2022)、高压半桥栅极驱动器NSD1624(2023)、40V车规级32细分步进电机驱动器NSD8381(2024),标志其在汽车、泛能源领域,围绕应用创新的丰硕成果及市场认可,实现集成电路关键核心技术突破,加速科技创新和产业创新融合。截止2025年上半年,纳芯微汽车电子累计出货量超过9.8亿颗。  关于“中国芯”优秀产品评选  “中国芯”优秀产品评选活动由中国电子信息产业发展研究院主办,自2006年启动以来已成功举办二十届。该活动坚持以应用为导向,持续推动评选机制创新,致力于成为中国集成电路产品与技术发展的“风向标”。  活动始终秉持“以用立业、以用兴业”的发展思路,通过建立公正、专业的中国芯产品推荐机制,为国内集成电路企业搭建起一个展示优秀产品和技术的公益性平台,助力我国集成电路产业实现高质量发展。
2025-11-25 09:37 reading:326
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