芯耀
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前言
上期“艱難的替代”系列介紹了BMS芯片的重要分類——AFE芯片，本期我們介紹另一類重要的BMS芯片——數字隔離芯片：
數字隔離芯片的重要性
在現代電子系統(tǒng)中，隔離技術的應用日益重要，尤其是在確保高低電壓模塊間安全和可靠通信的場景中。隔離器件通過將輸入信號進行轉換和傳遞至輸出端，實現了電氣隔離的功能，從而保證了高電壓（強電）和低電壓（弱電）之間的安全信號傳輸。這種技術不僅有助于防止因故障導致的強電流直接流向弱電路造成的損害，還能消除兩個電路之間的接地環(huán)路，有效阻斷共模和浪涌等干擾信號，提高整個電子系統(tǒng)的安全性和可靠性。
數字隔離芯片作為隔離技術的一個重要分支，其產品定義和應用場景廣泛，特別是在汽車領域的應用尤為突出。數字隔離芯片通過集成電源隔離和信號隔離在單個芯片上，實現了高度集成化，同時降低了成本和體積，提供了更為優(yōu)越的技術解決方案。這些芯片主要用于高低壓之間的數字通信，如電池管理系統(tǒng)（BMS）的主控板上高壓采樣與微控制單元（MCU）之間的串行外設接口（SPI）通信，以及采樣板的模擬前端（AFE）與MCU的SPI通信。
在汽車應用中，數字隔離芯片的重要性不容小覷。隨著電動汽車和混合動力車的發(fā)展，這些車輛中的高瓦數功率電子設備，如車載充電器（OBC）、DC/DC轉換器和電機控制驅動逆變器等，均需要高度可靠的電氣隔離以確保安全和性能。數字隔離芯片在這些應用中扮演著關鍵角色，它們不僅用于控制通信（如CAN和LIN總線）的隔離，還涉及到驅動MOSFET或IGBT的隔離驅動芯片，以及進行電流和電壓采樣的隔離ADC/隔離運放。隔離芯片不僅提高了系統(tǒng)的安全性，還有效地隔離了高壓和信號干擾，特別是在儲能電站的電池管理系統(tǒng)（BMS）中，它們通過板間通信，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行。
納芯微高壓儲能 BMS 隔離產品示意圖，來源：納芯微官網
數字隔離芯片市場規(guī)模預測
數字隔離芯片在現代電子系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是在新能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)和電動汽車等領域。這些芯片主要用于新能源發(fā)電和儲能系統(tǒng)中的逆變器、變流器、PCS等設備，負責實現電氣隔離、信號采樣和通信等關鍵功能。
數字隔離芯片在新能源汽車上的應用，來源：安信證券研究中心
在電動汽車領域，隔離芯片用于多個關鍵系統(tǒng)，包括車載充電器、電池管理系統(tǒng)（BMS）、DC/DC轉換器、電機控制驅動逆變器以及CAN/LIN總線通信等。隨著電動汽車向400V至800V高電壓系統(tǒng)的遷移，這些應用對隔離芯片的性能要求更高，包括更強的隔離耐壓和更快的故障檢測能力，以確保高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
全球數字隔離芯片下游引用占比（2020年），來源：Markets and Markets
根據Markets and Markets的數據，2022年全球數字隔離芯片市場的規(guī)模預計為18億美元，預計到2027年將增長至27億美元，其中復合年增長率為8.45%。這一增長主要受到兩大應用領域——工業(yè)和汽車電子的推動，這兩個領域在2020年的市場占比分別達到28.58%和16.84%，預計到2026年分別達到28.80%和16.79%。
全球數字隔離芯片市場規(guī)模預測，來源： Markets and Markets
歐美半導體公司如TI、Silicon Labs和ADI在數字隔離芯片市場上占據主導地位，這些公司的技術先進性和廣泛的產品線使它們能夠滿足不斷增長的市場需求。同時，中國的一些企業(yè)如納芯微和榮湃半導體也在積極布局這一領域，并逐步提升其市場份額。這些公司通過提供性能可與國際大廠競爭的產品，正在逐漸改變市場的競爭格局。
數字隔離芯片技術趨勢
隔離芯片的技術路線主要包括光耦隔離、容耦隔離和磁耦隔離。盡管光耦是最早使用的隔離技術，但其電介質強度較低，難以實現高級別的隔離。容耦技術通過電容原理實現信號的隔離傳輸，具有長壽命、低功耗和高傳輸速率的特點，但其浪涌保護能力受到限制。相比之下，磁隔離技術在高頻DCDC電源轉換中表現更佳，可以傳輸更高功率的信號，改善傳輸延遲和延遲偏差，適合于需要高頻信號傳輸的應用。
隔離技術的類型主要包括磁感隔離（磁耦）、電容耦合隔離（容耦）和巨磁阻隔離。其中，容耦和磁耦因其優(yōu)異的性能而廣受市場青睞。容耦技術通常使用二氧化硅（SiO2）或聚酰亞胺（Polyimide）作為絕緣介質，具有較高的耐壓特性和優(yōu)異的隔離強度。例如，容耦的二氧化硅可以達到500伏每微米的耐壓，而聚酰亞胺大約為300伏每微米。
主流架構及其進展
技術發(fā)展中，Pulse調制和OOK調制架構是較為常見的傳輸模式，特點是低功耗和高傳輸速率，但在強干擾環(huán)境下易出現數據錯誤。為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，新一代調制技術Pulse-Coding應運而生。這種技術通過邊沿編碼技術，在數據傳輸完成后進入休眠狀態(tài)，顯著降低了功耗同時提升了抗干擾能力。此外，Pulse-Coding技術能達到高達200Kv/uS的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。
CMTI技術的重要性及發(fā)展
在CMTI技術方面，隔離器需要處理快速變化的擾動信號而不影響輸出。采用高CMTI技術，如全差分發(fā)射接收機架構、等效共模輸入阻抗控制和數字濾波技術，能有效提高信號的穩(wěn)定性和準確性。全差分架構提供更高的信號完整性，等效共模輸入阻抗控制技術確保在高擾動環(huán)境下信號仍然穩(wěn)定，數字濾波技術則通過犧牲部分傳輸速率以換取更好的抗干擾性能。
高CMTI技術的實現
例如，川土微電子開發(fā)的高CMTI技術通過創(chuàng)新的接收電路設計，有效地控制了共模電平，即使在極端擾動條件下也能保持穩(wěn)定的信號輸出。此外，采用數字濾波技術，可以有效地減少誤碼率，提高整體系統(tǒng)的可靠性。
電磁干擾（EMI）的挑戰(zhàn)與對策
另一方面，隔離器件也面臨著電磁干擾（EMI）的挑戰(zhàn)。為此，采用了多種技術如抖頻技術、使用金屬屏蔽層和高增益接收電路設計來降低EMI的影響。特別是容耦架構通過電場傳遞信號，相較于磁耦的磁場傳輸，自然輻射更小。這種策略不僅提高了設備的抗干擾性能，還有助于降低設備的整體功耗。
高度集成化技術的優(yōu)勢
在隔離技術的高度集成化方面，全集成隔離DC-DC技術展現出極高的集成度和轉換效率。這種技術將隔離電源模組、數字隔離器和數字隔離接口三者集成于一體，顯著縮小了封裝尺寸，提高了效率。例如，集成芯片可以在更小的封裝中實現更高的性能，這對于設備制造商來說是一個巨大的優(yōu)勢，因為它可以減少電路板的占用空間，降低整體系統(tǒng)的成本。
之，數字隔離技術的發(fā)展不僅僅關注單一的傳輸效率或隔離能力，更加重視整體解決方案的可靠性、集成度以及對環(huán)境干擾的抗性。隨著第三代半導體技術的應用和市場需求的變化，數字隔離器件的技術路線和趨勢將繼續(xù)向著高性能、低功耗和高集成化方向發(fā)展。
主流車規(guī)數字隔離器玩家介紹
根據與非研究院的整理，目前市場主流的車規(guī)數字隔離器原廠包括亞德諾、德州儀器、芯科、英飛凌、意法半導體、思佳訊 、埃戈羅、安森美、NVE、Vicor、東芝、納芯微、智芯微、數明、格勵微科技、榮湃、川土微、思瑞浦、華大半導體、精控、矽朋、瞻芯等。以下為與非研究院整理的一部分玩家：
部分主流的車規(guī)隔離器原廠，來源：與非研究院整理
TI 提供了一系列基于二氧化硅絕緣柵的數字隔離產品，具有低功耗和高效率的特點，特別適用于需要高隔離性能和高數據速率的應用。ADI 則以其磁耦隔離技術著稱，提供高達200Mbps的數據傳輸速率，其產品設計注重多通道靈活性和魯棒性，適用于多種復雜的電控系統(tǒng)。
英飛凌的ISOFACE系列產品，利用無磁芯變壓器技術，提供了高性能的隔離解決方案，尤其注重小型化和低功耗設計，適合現代化高要求的電子設備。
納芯微是國內領先的數字隔離芯片廠商，采用Adaptive OOK技術和高壓隔離工藝，提供高性能、低成本的隔離解決方案，已廣泛應用于汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)。中科格勵微和榮湃半導體分別以其獨特的磁耦和電容隔離技術在市場上獨樹一幟，提供高速率和低功耗的產品，適用于新能源汽車和智能電表等領域。銳來博作為新興初創(chuàng)企業(yè)，側重于通過優(yōu)化架構降低成本，并專注于滿足特定行業(yè)需求，例如電力和儲能領域。
華大半導體的HSA6880-Q產品利用磁隔離技術，已達到車規(guī)級標準，廣泛應用于新能源汽車的電控系統(tǒng)。智芯微的SCCK11410/1/2系列通過先進的氧化硅雙層電容隔離結構實現高達5000Vrms的隔離電壓，具備優(yōu)異的數據傳輸穩(wěn)定性和抗電磁干擾能力。
數明半導體的SiLM572x和SiLM574x系列產品，支持高達100Mbps的數據傳輸率，并具有低傳播延遲和高共模瞬態(tài)抗擾度，特別適合于汽車和工業(yè)應用。
中科格勵微則利用其在MEMS與CMOS工藝的深度融合技術，開發(fā)出小體積高效的隔離DC-DC轉換芯片，如Gip50XX系列，適用于小功率信號隔離應用。思瑞浦的TPT772x和TPT774x系列產品，提供高速數據傳輸和優(yōu)秀的電磁兼容性，支持低功耗運作，適合在噪聲較多的工業(yè)環(huán)境中使用。
川土微的CA-IS303xT產品，作為高性能的隔離LVDS緩沖器，提供高達3750VRMS的隔離耐壓和1.1Gbps的數據傳輸能力，是高端模擬信號和數據傳輸應用的理想選擇。
矽朋微以其在能源效率和物聯網芯片領域的專業(yè)知識而著稱，開發(fā)了多種工業(yè)級專用處理器和電源管理解決方案。其主打產品SSP584X系列數字隔離器，以高速、低功耗、高隔離電壓和優(yōu)異的抗干擾性能為特色，適合于新能源管理系統(tǒng)和集成電路設計領域。
瞻芯電子在單通道柵極驅動芯片領域表現出色，其IVCO1A0x系列產品通過電容隔離技術，提供高絕緣耐壓和高傳輸效率。這些芯片不僅支持車規(guī)級應用，還廣泛用于工業(yè)電源、電機控制和電源轉換系統(tǒng)。IVCO1A0x系列的高電流驅動能力和緊湊的封裝設計，使其在高頻率開關應用中具有顯著優(yōu)勢，同時也確保了系統(tǒng)在苛刻環(huán)境下的可靠性和安全性。
總結
汽車中的應用呈現出電動化和智能化的雙重趨勢，隨著這些趨勢的發(fā)展，預期未來隔離芯片的需求將維持快速增長態(tài)勢，尤其是在高壓和高安全性要求的新能源汽車領域。預計隨著新能源汽車的進一步普及，隔離芯片在電池管理系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等關鍵領域的需求將保持增長勢頭。
盡管起步較晚，但強烈的國產替代需求和市場的積極推動已經催生了一批優(yōu)質的國產數字隔離芯片廠商。這些廠商通過技術創(chuàng)新，在部分關鍵性能指標上已能與國際品牌相媲美，甚至超越。目前，國產隔離芯片正向高集成度和車規(guī)級應用方向發(fā)展，表現出了國內廠商在全球市場中的競爭力。面對來自國外企業(yè)的競爭，中國廠商在隔離芯片領域的快速發(fā)展顯示出了其在全球市場中的競爭潛力。隨著西方國家對華半導體制裁的不斷加碼，國內市場的自主創(chuàng)新和技術獨立變得尤為關鍵。相信隨著通過加大研發(fā)投入和優(yōu)化生產流程，國內企業(yè)不僅能滿足國內市場需求，也能在國際市場上占據一席之地。
