艱難的替代——車規(guī)BMS芯片之?dāng)?shù)字隔離芯片

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(shù)字隔離芯片：

回顧上期《艱難的替代——車規(guī)級AFE芯片》

數(shù)字隔離芯片的重要性

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，隔離技術(shù)的應(yīng)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(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳遞至輸出端，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離的功能，從而保證了高電壓（強(qiáng)電）和低電壓（弱電）之間的安全信號傳輸。這種技術(shù)不僅有助于防止因故障導(dǎo)致的強(qiáng)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(shù)字隔離芯片作為隔離技術(shù)的一個重要分支，其產(chǎn)品定義和應(yīng)用場景廣泛，特別是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用尤為突出。數(shù)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(shí)現(xiàn)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(shù)解決方案。這些芯片主要用于高低壓之間的數(shù)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(shè)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(yīng)用中，數(shù)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(shù)功率電子設(shè)備，如車載充電器（OBC）、DC/DC轉(zhuǎn)換器和電機(jī)控制驅(qū)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(shù)字隔離芯片在這些應(yīng)用中扮演著關(guān)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(qū)動MOSFET或IGBT的隔離驅(qū)動芯片，以及進(jìn)行電流和電壓采樣的隔離ADC/隔離運(yùn)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(yùn)行。

納芯微高壓儲能 BMS 隔離產(chǎn)品示意圖，來源：納芯微官網(wǎng)

數(shù)字隔離芯片市場規(guī)模預(yù)測

數(shù)字隔離芯片在現(xiàn)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(lǐng)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(shè)備，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電氣隔離、信號采樣和通信等關(guān)鍵功能。

數(shù)字隔離芯片在新能源汽車上的應(yīng)用，來源：安信證券研究中心

在電動汽車領(lǐng)域，隔離芯片用于多個關(guān)鍵系統(tǒng)，包括車載充電器、電池管理系統(tǒng)（BMS）、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制驅(qū)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(yīng)用對隔離芯片的性能要求更高，包括更強(qiáng)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(shù)字隔離芯片下游引用占比（2020年），來源：Markets and Markets

根據(jù)Markets and Markets的數(shù)據(jù)，2022年全球數(shù)字隔離芯片市場的規(guī)模預(yù)計為18億美元，預(yù)計到2027年將增長至27億美元，其中復(fù)合年增長率為8.45%。這一增長主要受到兩大應(yīng)用領(lǐng)域——工業(yè)和汽車電子的推動，這兩個領(lǐng)域在2020年的市場占比分別達(dá)到28.58%和16.84%，預(yù)計到2026年分別達(dá)到28.80%和16.79%。

全球數(shù)字隔離芯片市場規(guī)模預(yù)測，來源： Markets and Markets

歐美半導(dǎo)體公司如TI、Silicon Labs和ADI在數(shù)字隔離芯片市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，這些公司的技術(shù)先進(jìn)性和廣泛的產(chǎn)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(dǎo)體也在積極布局這一領(lǐng)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(chǎn)品，正在逐漸改變市場的競爭格局。

數(shù)字隔離芯片技術(shù)趨勢

隔離芯片的技術(shù)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(shù)，但其電介質(zhì)強(qiáng)度較低，難以實(shí)現(xiàn)高級別的隔離。容耦技術(shù)通過電容原理實(shí)現(xiàn)信號的隔離傳輸，具有長壽命、低功耗和高傳輸速率的特點(diǎn)，但其浪涌保護(hù)能力受到限制。相比之下，磁隔離技術(shù)在高頻DCDC電源轉(zhuǎn)換中表現(xiàn)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?shù)膽?yīng)用。

隔離技術(shù)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(shù)通常使用二氧化硅（SiO2）或聚酰亞胺（Polyimide）作為絕緣介質(zhì)，具有較高的耐壓特性和優(yōu)異的隔離強(qiáng)度。例如，容耦的二氧化硅可以達(dá)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(gòu)及其進(jìn)展

技術(shù)發(fā)展中，Pulse調(diào)制和OOK調(diào)制架構(gòu)是較為常見的傳輸模式，特點(diǎn)是低功耗和高傳輸速率，但在強(qiáng)干擾環(huán)境下易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，新一代調(diào)制技術(shù)Pulse-Coding應(yīng)運(yùn)而生。這種技術(shù)通過邊沿編碼技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸完成后進(jìn)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(shù)能達(dá)到高達(dá)200Kv/uS的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。

CMTI技術(shù)的重要性及發(fā)展

在CMTI技術(shù)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(shù)，如全差分發(fā)射接收機(jī)架構(gòu)、等效共模輸入阻抗控制和數(shù)字濾波技術(shù)，能有效提高信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。全差分架構(gòu)提供更高的信號完整性，等效共模輸入阻抗控制技術(shù)確保在高擾動環(huán)境下信號仍然穩(wěn)定，數(shù)字濾波技術(shù)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(shù)的實(shí)現(xiàn)

例如，川土微電子開發(fā)的高CMTI技術(shù)通過創(chuàng)新的接收電路設(shè)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(shù)字濾波技術(shù)，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(shù)如抖頻技術(shù)、使用金屬屏蔽層和高增益接收電路設(shè)計來降低EMI的影響。特別是容耦架構(gòu)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(shè)備的抗干擾性能，還有助于降低設(shè)備的整體功耗。

高度集成化技術(shù)的優(yōu)勢

在隔離技術(shù)的高度集成化方面，全集成隔離DC-DC技術(shù)展現(xiàn)出極高的集成度和轉(zhuǎn)換效率。這種技術(shù)將隔離電源模組、數(shù)字隔離器和數(shù)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(shí)現(xiàn)更高的性能，這對于設(shè)備制造商來說是一個巨大的優(yōu)勢，因?yàn)樗梢詼p少電路板的占用空間，降低整體系統(tǒng)的成本。

之，數(shù)字隔離技術(shù)的發(fā)展不僅僅關(guān)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(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用和市場需求的變化，數(shù)字隔離器件的技術(shù)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(shù)字隔離器玩家介紹

根據(jù)與非研究院的整理，目前市場主流的車規(guī)數(shù)字隔離器原廠包括亞德諾、德州儀器、芯科、英飛凌、意法半導(dǎo)體、思佳訊 、埃戈羅、安森美、NVE、Vicor、東芝、納芯微、智芯微、數(shù)明、格勵微科技、榮湃、川土微、思瑞浦、華大半導(dǎo)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(shù)字隔離產(chǎn)品，具有低功耗和高效率的特點(diǎn)，特別適用于需要高隔離性能和高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用。ADI 則以其磁耦隔離技術(shù)著稱，提供高達(dá)200Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，其產(chǎn)品設(shè)計注重多通道靈活性和魯棒性，適用于多種復(fù)雜的電控系統(tǒng)。

英飛凌的ISOFACE系列產(chǎn)品，利用無磁芯變壓器技術(shù)，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(shè)計，適合現(xiàn)代化高要求的電子設(shè)備。

納芯微是國內(nèi)領(lǐng)先的數(shù)字隔離芯片廠商，采用Adaptive OOK技術(shù)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(yīng)用于汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)。中科格勵微和榮湃半導(dǎo)體分別以其獨(dú)特的磁耦和電容隔離技術(shù)在市場上獨(dú)樹一幟，提供高速率和低功耗的產(chǎn)品，適用于新能源汽車和智能電表等領(lǐng)域。銳來博作為新興初創(chuàng)企業(yè)，側(cè)重于通過優(yōu)化架構(gòu)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(lǐng)域。

華大半導(dǎo)體的HSA6880-Q產(chǎn)品利用磁隔離技術(shù)，已達(dá)到車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)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(jìn)的氧化硅雙層電容隔離結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高達(dá)5000Vrms的隔離電壓，具備優(yōu)異的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和抗電磁干擾能力。

數(shù)明半導(dǎo)體的SiLM572x和SiLM574x系列產(chǎn)品，支持高達(dá)100Mbps的數(shù)據(jù)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(yīng)用。

中科格勵微則利用其在MEMS與CMOS工藝的深度融合技術(shù)，開發(fā)出小體積高效的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，如Gip50XX系列，適用于小功率信號隔離應(yīng)用。思瑞浦的TPT772x和TPT774x系列產(chǎn)品，提供高速數(shù)據(jù)傳輸和優(yōu)秀的電磁兼容性，支持低功耗運(yùn)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(chǎn)品，作為高性能的隔離LVDS緩沖器，提供高達(dá)3750VRMS的隔離耐壓和1.1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸能力，是高端模擬信號和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的理想選擇。

矽朋微以其在能源效率和物聯(lián)網(wǎng)芯片領(lǐng)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(chǎn)品SSP584X系列數(shù)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(shè)計領(lǐng)域。

瞻芯電子在單通道柵極驅(qū)動芯片領(lǐng)域表現(xiàn)出色，其IVCO1A0x系列產(chǎn)品通過電容隔離技術(shù)，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(yīng)用，還廣泛用于工業(yè)電源、電機(jī)控制和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。IVCO1A0x系列的高電流驅(qū)動能力和緊湊的封裝設(shè)計，使其在高頻率開關(guān)應(yīng)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(jié)

汽車中的應(yīng)用呈現(xiàn)出電動化和智能化的雙重趨勢，隨著這些趨勢的發(fā)展，預(yù)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(lǐng)域。預(yù)計隨著新能源汽車的進(jìn)一步普及，隔離芯片在電池管理系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等關(guān)鍵領(lǐng)域的需求將保持增長勢頭。

盡管起步較晚，但強(qiáng)烈的國產(chǎn)替代需求和市場的積極推動已經(jīng)催生了一批優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)數(shù)字隔離芯片廠商。這些廠商通過技術(shù)創(chuàng)新，在部分關(guān)鍵性能指標(biāo)上已能與國際品牌相媲美，甚至超越。目前，國產(chǎn)隔離芯片正向高集成度和車規(guī)級應(yīng)用方向發(fā)展，表現(xiàn)出了國內(nèi)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(lǐng)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(dǎo)體制裁的不斷加碼，國內(nèi)市場的自主創(chuàng)新和技術(shù)獨(dú)立變得尤為關(guān)鍵。相信隨著通過加大研發(fā)投入和優(yōu)化生產(chǎn)流程，國內(nèi)企業(yè)不僅能滿足國內(nèi)市場需求，也能在國際市場上占據(jù)一席之地。