前言
上期“艱難的替代”系列介紹了BMS晶片的重要分類——AFE晶片，本期我們介紹另一類重要的BMS晶片——數字隔離晶片： 回顧上期《艱難的替代——車規級AFE晶片》
數字隔離晶片的重要性
在現代電子系統中，隔離技術的應用日益重要，尤其是在確定高低電壓子產品間安全和可靠通信的場景中。隔離器件通過将輸入信号進行轉換和傳遞至輸出端，實作了電氣隔離的功能，進而保證了高電壓（強電）和低電壓（弱電）之間的安全信号傳輸。這種技術不僅有助于防止因故障導緻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路，有效阻斷共模和浪湧等幹擾信号，提高整個電子系統的安全性和可靠性。 數字隔離晶片作為隔離技術的一個重要分支，其産品定義和應用場景廣泛，特别是在汽車領域的應用尤為突出。數字隔離晶片通過內建電源隔離和信号隔離在單個晶片上，實作了高度內建化，同時降低了成本和體積，提供了更為優越的技術解決方案。這些晶片主要用于高低壓之間的數字通信，如電池管理系統（BMS）的主要闆上高壓采樣與微控制單元（MCU）之間的串行外設接口（SPI）通信，以及采樣闆的模拟前端（AFE）與MCU的SPI通信。 在汽車應用中，數字隔離晶片的重要性不容小觑。随着電動汽車和混合動力車的發展，這些車輛中的高瓦數功率電子裝置，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定安全和性能。數字隔離晶片在這些應用中扮演着關鍵角色，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的隔離驅動晶片，以及進行電流和電壓采樣的隔離ADC/隔離運放。隔離晶片不僅提高了系統的安全性，還有效地隔離了高壓和信号幹擾，特别是在儲能電站的電池管理系統（BMS）中，它們通過闆間通信，確定了系統的穩定和安全運作。
納芯微高壓儲能 BMS 隔離産品示意圖，來源：納芯微官網
數字隔離晶片市場規模預測
數字隔離晶片在現代電子系統中發揮着越來越重要的作用，尤其是在新能源發電、儲能系統和電動汽車等領域。這些晶片主要用于新能源發電和儲能系統中的逆變器、變流器、PCS等裝置，負責實作電氣隔離、信号采樣和通信等關鍵功能。
數字隔離晶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，隔離晶片用于多個關鍵系統，包括車載充電器、電池管理系統（BMS）、DC/DC轉換器、電機控制驅動逆變器以及CAN/LIN總線通信等。随着電動汽車向400V至800V高電壓系統的遷移，這些應用對隔離晶片的性能要求更高，包括更強的隔離耐壓和更快的故障檢測能力，以確定高壓系統的穩定性和安全性。
全球數字隔離晶片下遊引用占比（2020年），來源：Markets and Markets
根據Markets and Markets的資料，2022年全球數字隔離晶片市場的規模預計為18億美元，預計到2027年将增長至27億美元，其中複合年增長率為8.45%。這一增長主要受到兩大應用領域——工業和汽車電子的推動，這兩個領域在2020年的市場占比分别達到28.58%和16.84%，預計到2026年分别達到28.80%和16.79%。
全球數字隔離晶片市場規模預測，來源： Markets and Markets
歐美半導體公司如TI、Silicon Labs和ADI在數字隔離晶片市場上占據主導地位，這些公司的技術先進性和廣泛的産品線使它們能夠滿足不斷增長的市場需求。同時，中國的一些企業如納芯微和榮湃半導體也在積極布局這一領域，并逐漸提升其市場佔有率。這些公司通過提供性能可與國際大廠競争的産品，正在逐漸改變市場的競争格局。
數字隔離晶片技術趨勢
隔離晶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，但其電媒體強度較低，難以實作進階别的隔離。容耦技術通過電容原理實作信号的隔離傳輸，具有長壽命、低功耗和高傳輸速率的特點，但其浪湧保護能力受到限制。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号，改善傳輸延遲和延遲偏差，适合于需要高頻信号傳輸的應用。 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，容耦和磁耦因其優異的性能而廣受市場青睐。容耦技術通常使用二氧化矽（SiO2）或聚酰亞胺（Polyimide）作為絕緣媒體，具有較高的耐壓特性和優異的隔離強度。例如，容耦的二氧化矽可以達到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，但在強幹擾環境下易出現資料錯誤。為了提高系統的可靠性和抗幹擾能力，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，在資料傳輸完成後進入休眠狀态，顯著降低了功耗同時提升了抗幹擾能力。此外，Pulse-Coding技術能達到高達200Kv/uS的共模瞬态抗擾度（CMTI）。
CMTI技術的重要性及發展
在CMTI技術方面，隔離器需要處理快速變化的擾動信号而不影響輸出。采用高CMTI技術，如全差分發射接收機架構、等效共模輸入阻抗控制和數字濾波技術，能有效提高信号的穩定性和準确性。全差分架構提供更高的信号完整性，等效共模輸入阻抗控制技術確定在高擾動環境下信号仍然穩定，數字濾波技術則通過犧牲部分傳輸速率以換取更好的抗幹擾性能。
高CMTI技術的實作
例如，川土微電子開發的高CMTI技術通過創新的接收電路設計，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定的信号輸出。此外，采用數字濾波技術，可以有效地減少誤碼率，提高整體系統的可靠性。
電磁幹擾（EMI）的挑戰與對策
另一方面，隔離器件也面臨着電磁幹擾（EMI）的挑戰。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。特别是容耦架構通過電場傳遞信号，相較于磁耦的磁場傳輸，自然輻射更小。這種政策不僅提高了裝置的抗幹擾性能，還有助于降低裝置的整體功耗。
高度內建化技術的優勢
在隔離技術的高度內建化方面，全內建隔離DC-DC技術展現出極高的內建度和轉換效率。這種技術将隔離電源模組、數字隔離器和數字隔離接口三者內建于一體，顯著縮小了封裝尺寸，提高了效率。例如，內建晶片可以在更小的封裝中實作更高的性能，這對于裝置制造商來說是一個巨大的優勢，因為它可以減少電路闆的占用空間，降低整體系統的成本。 之，數字隔離技術的發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、內建度以及對環境幹擾的抗性。随着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将繼續向着高性能、低功耗和高內建化方向發展。
主流車規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數字隔離器原廠包括亞德諾、德州儀器、芯科、英飛淩、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矽絕緣栅的數字隔離産品，具有低功耗和高效率的特點，特别适用于需要高隔離性能和高資料速率的應用。ADI 則以其磁耦隔離技術著稱，提供高達200Mbps的資料傳輸速率，其産品設計注重多通道靈活性和魯棒性，适用于多種複雜的電控系統。 英飛淩的ISOFACE系列産品，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，适合現代化高要求的電子裝置。 納芯微是國内領先的數字隔離晶片廠商，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控制系統。中科格勵微和榮湃半導體分别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産品，适用于新能源汽車和智能電表等領域。銳來博作為新興初創企業，側重于通過優化架構降低成本，并專注于滿足特定行業需求，例如電力和儲能領域。 華大半導體的HSA6880-Q産品利用磁隔離技術，已達到車規級标準，廣泛應用于新能源汽車的電控系統。智芯微的SCCK11410/1/2系列通過先進的氧化矽雙層電容隔離結構實作高達5000Vrms的隔離電壓，具備優異的資料傳輸穩定性和抗電磁幹擾能力。 數明半導體的SiLM572x和SiLM574x系列産品，支援高達100Mbps的資料傳輸率，并具有低傳播延遲和高共模瞬态抗擾度，特别适合于汽車和工業應用。 中科格勵微則利用其在MEMS與CMOS工藝的深度融合技術，開發出小體積高效的隔離DC-DC轉換晶片，如Gip50XX系列，适用于小功率信号隔離應用。思瑞浦的TPT772x和TPT774x系列産品，提供高速資料傳輸和優秀的電磁相容性，支援低功耗運作，适合在噪聲較多的工業環境中使用。 川土微的CA-IS303xT産品，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的資料傳輸能力，是高端模拟信号和資料傳輸應用的理想選擇。 矽朋微以其在能源效率和物聯網晶片領域的專業知識而著稱，開發了多種工業級專用處理器和電源管了解決方案。其主打産品SSP584X系列數字隔離器，以高速、低功耗、高隔離電壓和優異的抗幹擾性能為特色，适合于新能源管理系統和內建電路設計領域。 瞻芯電子在單通道栅極驅動晶片領域表現出色，其IVCO1A0x系列産品通過電容隔離技術，提供高絕緣耐壓和高傳輸效率。這些晶片不僅支援車規級應用，還廣泛用于工業電源、電機控制和電源轉換系統。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勢，同時也確定了系統在苛刻環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，随着這些趨勢的發展，預期未來隔離晶片的需求将維持快速增長态勢，尤其是在高壓和高安全性要求的新能源汽車領域。預計随着新能源汽車的進一步普及，隔離晶片在電池管理系統、動力系統等關鍵領域的需求将保持增長勢頭。 盡管起步較晚，但強烈的國産替代需求和市場的積極推動已經催生了一批優質的國産數字隔離晶片廠商。這些廠商通過技術創新，在部分關鍵性能名額上已能與國際品牌相媲美，甚至超越。目前，國産隔離晶片正向高內建度和車規級應用方向發展，表現出了國内廠商在全球市場中的競争力。面對來自國外企業的競争，中國廠商在隔離晶片領域的快速發展顯示出了其在全球市場中的競争潛力。随着西方國家對華半導體制裁的不斷加碼，國内市場的自主創新和技術獨立變得尤為關鍵。相信随着通過加大研發投入和優化生産流程，國内企業不僅能滿足國内市場需求，也能在國際市場上占據一席之地。