不管是汽車應(yīng)用里需要通過(guò)隔離來(lái)實(shí)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(duì)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(jìn)行保護(hù)，隔離的需求始終存在。

我們可以將范圍再擴(kuò)大一點(diǎn)，從汽車、工廠自動(dòng)化、電網(wǎng)等常見的高壓場(chǎng)景到樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品等相對(duì)低壓場(chǎng)景，任何需要可靠運(yùn)行的場(chǎng)景里，隔離都是確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要手段。

隔離芯片技術(shù)路線

電路之間引入隔離的大致有三個(gè)主要原因，其一當(dāng)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(dāng)兩個(gè)設(shè)備或電路通信時(shí)，直流電流和交流信號(hào)通常自由流動(dòng)。在低壓系統(tǒng)中，這種工作方式是安全的。但當(dāng)高電壓進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，高電壓的存在會(huì)引入顯著的電位差，自由流動(dòng)的直流電流和一些交流信號(hào)就不再是安全的了。隔離將電氣系統(tǒng)分隔開來(lái)，防止這些部分產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流的同時(shí)仍允許信號(hào)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(dòng)芯片，和隔離采樣芯片。從隔離技術(shù)路線上來(lái)說(shuō)，無(wú)外乎是光耦、容耦和磁耦。這里重點(diǎn)關(guān)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(guān)系，但是作為最早出現(xiàn)的隔離技術(shù)，光耦在很長(zhǎng)一段時(shí)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(qiáng)度都偏低，想要實(shí)現(xiàn)高級(jí)別的隔離要通過(guò)更多的物理分割，通常來(lái)說(shuō)能實(shí)現(xiàn)的CMTI都偏低。

容耦路線，因?yàn)殡娙萏焐湍茏钄嘀绷餍盘?hào)，所以電容隔離技術(shù)基于穿過(guò)電介質(zhì)的交流信號(hào)傳輸可以使用更高階調(diào)制等方案，也是三種技術(shù)中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術(shù)路線。容耦采用片上電容原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸，壽命長(zhǎng)、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(hù)能力。

磁隔離技術(shù)在需要高頻DCDC電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中是最具有優(yōu)勢(shì)的，可以在大多數(shù)應(yīng)用中傳輸超過(guò)數(shù)百毫瓦的功率，無(wú)需次級(jí)側(cè)偏置電源，還能發(fā)送高頻信號(hào)。改善傳輸延遲和延遲偏差這是其他隔離技術(shù)沒辦法實(shí)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(yīng)用范圍覆蓋各種應(yīng)用。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，2020年全球隔離芯片市場(chǎng)空間約20億~25億美元。具體到數(shù)字隔離芯片領(lǐng)域，根據(jù)Markets and Markets數(shù)據(jù)，2022年全球數(shù)字隔離芯片市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)約18億美元，預(yù)計(jì)到2027年增長(zhǎng)至27億美元，2022—2027年年復(fù)合增長(zhǎng)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(gè)市場(chǎng)，在汽車朝著電動(dòng)化與智能化發(fā)展的趨勢(shì)下，電動(dòng)汽車內(nèi)的隔離芯片需求也隨之上漲。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器、汽車充電器、牽引逆變器上，SiC和GaN的應(yīng)用越來(lái)越多，這需要更準(zhǔn)確快速可靠的故障檢測(cè)來(lái)診斷交流電力線波動(dòng)和電氣過(guò)載，確保高壓系統(tǒng)環(huán)境穩(wěn)定，隔離器件的需求會(huì)越來(lái)越多，而且對(duì)性能要求也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)苛。

工業(yè)場(chǎng)景主要是伺服器及PLC等設(shè)備對(duì)隔離芯片需求較多，工業(yè)4.0背景下，人機(jī)協(xié)同是發(fā)展大方向，為了保障協(xié)同工作場(chǎng)景下安全，隔離需求涉及人機(jī)協(xié)同工作的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)高低壓之間的信號(hào)傳輸進(jìn)行隔離以保護(hù)操作人員免受電擊。

另外，通訊數(shù)據(jù)中心、光伏儲(chǔ)能、智能電網(wǎng)等快速增長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)安全性的要求也在提高，數(shù)字隔離芯片會(huì)被更多的集成到信號(hào)鏈和電源類等模擬芯片中，進(jìn)一步擴(kuò)大了隔離芯片整體的需求。

國(guó)內(nèi)外數(shù)字隔離芯片廠商概況

歐美半導(dǎo)體廠商在數(shù)字隔離芯片領(lǐng)域起步早，在市場(chǎng)上還是占據(jù)著主導(dǎo)的地位，除去在光耦領(lǐng)域有著深厚積累的博通、東芝等廠商，數(shù)字隔離芯片領(lǐng)域的TI、ADI、Silicon Labs等廠商也長(zhǎng)期占據(jù)全球市場(chǎng)的半壁江山。

國(guó)內(nèi)不少?gòu)S商在積極布局?jǐn)?shù)字隔離芯片賽道，如納芯微、中科格勵(lì)、榮湃半導(dǎo)體、川土微等，都推出了不少性能指標(biāo)能完全對(duì)標(biāo)國(guó)外競(jìng)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(chǎng)。

TI：全面的容耦基礎(chǔ)型和增強(qiáng)型隔離

TI的數(shù)字隔離系列使用專有二氧化硅絕緣柵來(lái)實(shí)現(xiàn)這些滿足工業(yè)或車規(guī)級(jí)的隔離性能，基礎(chǔ)型數(shù)字隔離器與增強(qiáng)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(shì)。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(dá) 50Mbps， 150kV/μs 的CMTI和最高達(dá)5kVRMS的隔離等級(jí)，可以給各類應(yīng)用提供足夠可靠的隔離屏障。ISO76xx系列的信號(hào)發(fā)送速率可達(dá)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(dá) 550mW 的隔離式電源，信號(hào)速率能達(dá)到100Mbps，CMTI可達(dá)100kV/μs。

ADI：iCoupler技術(shù)加持下的磁耦隔離

作為磁耦的領(lǐng)導(dǎo)廠商，ADI的數(shù)字隔離技術(shù)一直都處在行業(yè)前沿，在產(chǎn)品魯棒性以及多通道設(shè)計(jì)靈活性上領(lǐng)先著其他競(jìng)爭(zhēng)者。ADI的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離芯片，最高信號(hào)發(fā)送速率可達(dá)到200Mbps，最高速率下器件能以50kV/μs的CMTI提供3kVRMS的隔離強(qiáng)度，能在各種電控系統(tǒng)中提供足夠的增強(qiáng)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(shí)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(yùn)行，既保證信號(hào)發(fā)送速率又降低了功耗。

納芯微電子：市場(chǎng)份額快速提升，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的數(shù)字隔離廠商

基于第二代隔離Adaptive OOK的信號(hào)調(diào)制技術(shù)，納芯微數(shù)字隔離器性能指標(biāo)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(chǎng)市占率不斷攀升，根據(jù)Markets and Markets發(fā)布的報(bào)告，2021年納芯微的數(shù)字隔離器產(chǎn)品已位列國(guó)內(nèi)三強(qiáng)，在全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中也與國(guó)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(dá)200kV /μs。僅從這一項(xiàng)指標(biāo)就能看出，作為國(guó)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(shù)實(shí)力。

中科格勵(lì)微：深度布局磁耦數(shù)字隔離

目前格勵(lì)微以磁耦數(shù)字隔離技術(shù)為核心，形成了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器、隔離總線、隔離電源、隔離驅(qū)動(dòng)、隔離運(yùn)放等全系列產(chǎn)品。

旗下數(shù)字隔離器基于中科格勵(lì)微科技有限公司自主隔離技術(shù)，目前旗下產(chǎn)品傳輸速率可達(dá)150Mbps，隔離耐壓能力可達(dá)5kVRMS，25kV /μs的CMTI偏低還有很大的進(jìn)步空間。

榮湃半導(dǎo)體：iDivider技術(shù)加持容耦隔離

iDivider技術(shù)是榮湃半導(dǎo)體發(fā)明的智能分壓技術(shù)，該技術(shù)利用電容分壓原理，在不需要調(diào)制和解調(diào)的情況下，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)跨越隔離介質(zhì)精準(zhǔn)傳輸。

目前榮湃半導(dǎo)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(dá)6個(gè)，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(dǎo)體還在不斷地?cái)U(kuò)大數(shù)字隔離器的應(yīng)用范圍，據(jù)悉汽車領(lǐng)域是其下一個(gè)重要的推廣方向，目前已成功研發(fā)符合車規(guī)級(jí)的產(chǎn)品。

小結(jié)

隨著各領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)隔離芯片需求的數(shù)量和質(zhì)量不斷提升，雖然國(guó)內(nèi)數(shù)字隔離芯片行業(yè)起步稍晚，但是在國(guó)產(chǎn)替代需求強(qiáng)烈的背景和市場(chǎng)需求的大力推動(dòng)下，這個(gè)模擬細(xì)分市場(chǎng)出現(xiàn)了不少優(yōu)質(zhì)的國(guó)產(chǎn)生力軍。目前國(guó)內(nèi)的優(yōu)質(zhì)數(shù)字隔離器廠商通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品部分性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了與國(guó)外廠商的對(duì)標(biāo)，甚至做到了更優(yōu)。同時(shí)國(guó)產(chǎn)數(shù)字隔離芯片也開始向高集成度，向車規(guī)級(jí)應(yīng)用開始發(fā)展，這也是目前國(guó)產(chǎn)廠商重點(diǎn)布局的方向。