本文來微信公眾號“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，作者/李寧遠。
不管是汽車應用里需要通過隔離來實現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信，還是工業(yè)系統(tǒng)中對高壓浪涌、大接地電位差、高側(cè)組件通信以及共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)進行保護，隔離的需求始終存在。
我們可以將范圍再擴大一點，從汽車、工廠自動化、電網(wǎng)等常見的高壓場景到樓宇自動化、醫(yī)療設備、消費電子產(chǎn)品等相對低壓場景，任何需要可靠運行的場景里，隔離都是確保系統(tǒng)可靠運行的必要手段。
隔離芯片技術路線
電路之間引入隔離的大致有三個主要原因，其一當然是滿足安全法規(guī)確保安全，二是解決電位差，三則是降低噪聲提高抗噪性。當兩個設備或電路通信時，直流電流和交流信號通常自由流動。在低壓系統(tǒng)中，這種工作方式是安全的。但當高電壓進入系統(tǒng)時，高電壓的存在會引入顯著的電位差，自由流動的直流電流和一些交流信號就不再是安全的了。隔離將電氣系統(tǒng)分隔開來，防止這些部分產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流的同時仍允許信號和電源傳輸。隔離芯片就是具備這種電氣隔離特性的芯片。
目前隔離芯片根據(jù)功能的不同，有數(shù)字隔離芯片，隔離驅(qū)動芯片，和隔離采樣芯片。從隔離技術路線上來說，無外乎是光耦、容耦和磁耦。這里重點關注數(shù)字隔離芯片，也就是數(shù)字隔離器。數(shù)字隔離雖然和光耦沒有關系，但是作為最早出現(xiàn)的隔離技術，光耦在很長一段時間里解決了不少電氣隔離問題。光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強度都偏低，想要實現(xiàn)高級別的隔離要通過更多的物理分割，通常來說能實現(xiàn)的CMTI都偏低。
容耦路線，因為電容天生就能阻斷直流信號，所以電容隔離技術基于穿過電介質(zhì)的交流信號傳輸可以使用更高階調(diào)制等方案，也是三種技術中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術路線。容耦采用片上電容原理實現(xiàn)信號的隔離傳輸，壽命長、功耗低、傳輸速率高。不足在于有限的絕緣厚度限制了其浪涌保護能力。
磁隔離技術在需要高頻DCDC電源轉(zhuǎn)換的應用中是最具有優(yōu)勢的，可以在大多數(shù)應用中傳輸超過數(shù)百毫瓦的功率，無需次級側(cè)偏置電源，還能發(fā)送高頻信號。改善傳輸延遲和延遲偏差這是其他隔離技術沒辦法實現(xiàn)的。
數(shù)字隔離芯片規(guī)模與發(fā)展
隔離芯片在電路安全上有著舉足輕重的作用，其應用范圍覆蓋各種應用。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，2020年全球隔離芯片市場空間約20億~25億美元。具體到數(shù)字隔離芯片領域，根據(jù)Markets and Markets數(shù)據(jù)，2022年全球數(shù)字隔離芯片市場規(guī)模預計約18億美元，預計到2027年增長至27億美元，2022—2027年年復合增長率為8.45%。
其中，工業(yè)和汽車是數(shù)字隔離芯片最大的兩個市場，在汽車朝著電動化與智能化發(fā)展的趨勢下，電動汽車內(nèi)的隔離芯片需求也隨之上漲。在電機驅(qū)動器、光伏逆變器、汽車充電器、牽引逆變器上，SiC和GaN的應用越來越多，這需要更準確快速可靠的故障檢測來診斷交流電力線波動和電氣過載，確保高壓系統(tǒng)環(huán)境穩(wěn)定，隔離器件的需求會越來越多，而且對性能要求也會越來越嚴苛。
工業(yè)場景主要是伺服器及PLC等設備對隔離芯片需求較多，工業(yè)4.0背景下，人機協(xié)同是發(fā)展大方向，為了保障協(xié)同工作場景下安全，隔離需求涉及人機協(xié)同工作的各個節(jié)點，對高低壓之間的信號傳輸進行隔離以保護操作人員免受電擊。
另外，通訊數(shù)據(jù)中心、光伏儲能、智能電網(wǎng)等快速增長的應用場景對安全性的要求也在提高，數(shù)字隔離芯片會被更多的集成到信號鏈和電源類等模擬芯片中，進一步擴大了隔離芯片整體的需求。
國內(nèi)外數(shù)字隔離芯片廠商概況
歐美半導體廠商在數(shù)字隔離芯片領域起步早，在市場上還是占據(jù)著主導的地位，除去在光耦領域有著深厚積累的博通、東芝等廠商，數(shù)字隔離芯片領域的TI、ADI、Silicon Labs等廠商也長期占據(jù)全球市場的半壁江山。
國內(nèi)不少廠商在積極布局數(shù)字隔離芯片賽道，如納芯微、中科格勵、榮湃半導體、川土微等，都推出了不少性能指標能完全對標國外競品的產(chǎn)品，在近幾年提升了不少市占率，并有望繼續(xù)加速搶占更多市場。
TI：全面的容耦基礎型和增強型隔離
TI的數(shù)字隔離系列使用專有二氧化硅絕緣柵來實現(xiàn)這些滿足工業(yè)或車規(guī)級的隔離性能，基礎型數(shù)字隔離器與增強型數(shù)字隔離器在高工作電壓、低輻射、低功耗以及高效率上很有優(yōu)勢。以產(chǎn)品種類最豐富的ISO67xx系列為例，每通道電流低至4.2µA且速率最高可達50Mbps，150kV/µs的CMTI和最高達5kVRMS的隔離等級，可以給各類應用提供足夠可靠的隔離屏障。ISO76xx系列的信號發(fā)送速率可達到150Mbps，在50kV/µs的CMTI下提供4242 VPK的電流隔離，是替代光耦的主流容耦產(chǎn)品。ISOW77xx系列則是具有低輻射集成式高效電源轉(zhuǎn)換器的電隔離四通道數(shù)字隔離器，集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器提供高達550mW的隔離式電源，信號速率能達到100Mbps，CMTI可達100kV/µs。
ADI：iCoupler技術加持下的磁耦隔離
作為磁耦的領導廠商，ADI的數(shù)字隔離技術一直都處在行業(yè)前沿，在產(chǎn)品魯棒性以及多通道設計靈活性上領先著其他競爭者。ADI的標準數(shù)字隔離芯片，最高信號發(fā)送速率可達到200Mbps，最高速率下器件能以50kV/µs的CMTI提供3kVRMS的隔離強度，能在各種電控系統(tǒng)中提供足夠的增強型隔離。150 Mbps的隔離系列最大傳播延遲為13.5 ns，脈寬失真低于3 ns，另外它能夠在提供100kV/µs CMTI的同時以1側(cè)電源電流17 mA，2側(cè)電源電流17.5 mA的低功耗運行，既保證信號發(fā)送速率又降低了功耗。
納芯微電子：市場份額快速提升，國內(nèi)領先的數(shù)字隔離廠商
基于第二代隔離Adaptive OOK的信號調(diào)制技術，納芯微數(shù)字隔離器性能指標都走向了新高度。產(chǎn)品優(yōu)秀的性能也讓納芯微在數(shù)字隔離芯片市場市占率不斷攀升，根據(jù)Markets and Markets發(fā)布的報告，2021年納芯微的數(shù)字隔離器產(chǎn)品已位列國內(nèi)三強，在全球市場競爭中也與國際巨頭廠商等分居前十。
納芯微旗下的NSi82XX系列，共模瞬變抗擾度CMTI高達200kV/µs。僅從這一項指標就能看出，作為國內(nèi)首位量產(chǎn)數(shù)字隔離芯片的廠商，納芯微在數(shù)字隔離器上的技術實力。
中科格勵微：深度布局磁耦數(shù)字隔離
目前格勵微以磁耦數(shù)字隔離技術為核心，形成了標準數(shù)字隔離器、隔離總線、隔離電源、隔離驅(qū)動、隔離運放等全系列產(chǎn)品。
旗下數(shù)字隔離器基于中科格勵微科技有限公司自主隔離技術，目前旗下產(chǎn)品傳輸速率可達150Mbps，隔離耐壓能力可達5kVRMS，25kV/µs的CMTI偏低還有很大的進步空間。
榮湃半導體：iDivider技術加持容耦隔離
iDivider技術是榮湃半導體發(fā)明的智能分壓技術，該技術利用電容分壓原理，在不需要調(diào)制和解調(diào)的情況下，實現(xiàn)電壓信號跨越隔離介質(zhì)精準傳輸。
目前榮湃半導體的數(shù)字隔離器最大速率已經(jīng)做到了200Mbps，通道數(shù)最多可達6個，能提供120kV/µs的CMTI?？梢钥闯鱿盗挟a(chǎn)品性能十分優(yōu)異，并且榮湃半導體還在不斷地擴大數(shù)字隔離器的應用范圍，據(jù)悉汽車領域是其下一個重要的推廣方向，目前已成功研發(fā)符合車規(guī)級的產(chǎn)品。
小結(jié)
隨著各領域應用對隔離芯片需求的數(shù)量和質(zhì)量不斷提升，雖然國內(nèi)數(shù)字隔離芯片行業(yè)起步稍晚，但是在國產(chǎn)替代需求強烈的背景和市場需求的大力推動下，這個模擬細分市場出現(xiàn)了不少優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)生力軍。目前國內(nèi)的優(yōu)質(zhì)數(shù)字隔離器廠商通過技術創(chuàng)新，產(chǎn)品部分性能指標上實現(xiàn)了與國外廠商的對標，甚至做到了更優(yōu)。同時國產(chǎn)數(shù)字隔離芯片也開始向高集成度，向車規(guī)級應用開始發(fā)展，這也是目前國產(chǎn)廠商重點布局的方向。
