国产厂商正稳步提升,快速增长的数字隔离芯片市场

发布日期:2024-04-18     69 次

不管是汽车应用里需要通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件之间的安全通信,还是工业系统中对高压浪涌、大接地电位差、高侧组件通信以及共模瞬态数据进行保护,隔离的需求始终存在。

我们可以将范围再扩大一点,从汽车、工厂自动化、电网等常见的高压场景到楼宇自动化、医疗设备、消费电子产品等相对低压场景,任何需要可靠运行的场景里,隔离都是确保系统可靠运行的必要手段。


隔离芯片技术路线


电路之间引入隔离的大致有三个主要原因,其一当然是满足安全法规确保安全,二是解决电位差,三则是降低噪声提高抗噪性。当两个设备或电路通信时,直流电流和交流信号通常自由流动。在低压系统中,这种工作方式是安全的。但当高电压进入系统时,高电压的存在会引入显著的电位差,自由流动的直流电流和一些交流信号就不再是安全的了。隔离将电气系统分隔开来,防止这些部分产生直流电流和有害的交流电流的同时仍允许信号和电源传输。隔离芯片就是具备这种电气隔离特性的芯片。


目前隔离芯片根据功能的不同,有数字隔离芯片,隔离驱动芯片,和隔离采样芯片。从隔离技术路线上来说,无外乎是光耦、容耦和磁耦。这里重点关注数字隔离芯片,也就是数字隔离器。数字隔离虽然和光耦没有关系,但是作为最早出现的隔离技术,光耦在很长一段时间里解决了不少电气隔离问题。光耦使用的绝缘材料电介质强度都偏低,想要实现高级别的隔离要通过更多的物理分割,通常来说能实现的CMTI都偏低。


容耦路线,因为电容天生就能阻断直流信号,所以电容隔离技术基于穿过电介质的交流信号传输可以使用更高阶调制等方案,也是三种技术中内部绝缘厚度最小的技术路线。容耦采用片上电容原理实现信号的隔离传输,寿命长、功耗低、传输速率高。不足在于有限的绝缘厚度限制了其浪涌保护能力。


磁隔离技术在需要高频DCDC电源转换的应用中是最具有优势的,可以在大多数应用中传输超过数百毫瓦的功率,无需次级侧偏置电源,还能发送高频信号。改善传输延迟和延迟偏差这是其他隔离技术没办法实现的。


数字隔离芯片规模与发展


隔离芯片在电路安全上有着举足轻重的作用,其应用范围覆盖各种应用。根据Omdia数据,2020年全球隔离芯片市场空间约20亿~25亿美元。具体到数字隔离芯片领域,根据Markets and Markets数据,2022年全球数字隔离芯片市场规模预计约18亿美元,预计到2027年增长至27亿美元,2022—2027年年复合增长率为8.45%。


其中,工业和汽车是数字隔离芯片最大的两个市场,在汽车朝着电动化与智能化发展的趋势下,电动汽车内的隔离芯片需求也随之上涨。在电机驱动器、光伏逆变器、汽车充电器、牵引逆变器上,SiC和GaN的应用越来越多,这需要更准确快速可靠的故障检测来诊断交流电力线波动和电气过载,确保高压系统环境稳定,隔离器件的需求会越来越多,而且对性能要求也会越来越严苛。


工业场景主要是伺服器及PLC等设备对隔离芯片需求较多,工业4.0背景下,人机协同是发展大方向,为了保障协同工作场景下安全,隔离需求涉及人机协同工作的各个节点,对高低压之间的信号传输进行隔离以保护操作人员免受电击。


另外,通讯数据中心、光伏储能、智能电网等快速增长的应用场景对安全性的要求也在提高,数字隔离芯片会被更多的集成到信号链和电源类等模拟芯片中,进一步扩大了隔离芯片整体的需求。


国内外数字隔离芯片厂商概况


欧美半导体厂商在数字隔离芯片领域起步早,在市场上还是占据着主导的地位,除去在光耦领域有着深厚积累的博通、东芝等厂商,数字隔离芯片领域的TI、ADI、Silicon Labs等厂商也长期占据全球市场的半壁江山。


国内不少厂商在积极布局数字隔离芯片赛道,如纳芯微、中科格励、荣湃半导体、川土微等,都推出了不少性能指标能完全对标国外竞品的产品,在近几年提升了不少市占率,并有望继续加速抢占更多市场。


TI:全面的容耦基础型和增强型隔离


TI的数字隔离系列使用专有二氧化硅绝缘栅来实现这些满足工业或车规级的隔离性能,基础型数字隔离器与增强型数字隔离器在高工作电压、低辐射、低功耗以及高效率上很有优势。以产品种类最丰富的ISO67xx系列为例,每通道电流低至 4.2µA 且速率最高可达 50Mbps, 150kV/µs 的CMTI和最高达5kVRMS的隔离等级,可以给各类应用提供足够可靠的隔离屏障。ISO76xx系列的信号发送速率可达到150Mbps,在50kV/µs的CMTI下提供4242 VPK 的电流隔离,是替代光耦的主流容耦产品。ISOW77xx 系列则是具有低辐射集成式高效电源转换器的电隔离四通道数字隔离器,集成式直流/直流转换器提供高达 550mW 的隔离式电源,信号速率能达到100Mbps,CMTI可达100kV/µs。


ADI:iCoupler技术加持下的磁耦隔离


作为磁耦的领导厂商,ADI的数字隔离技术一直都处在行业前沿,在产品鲁棒性以及多通道设计灵活性上领先着其他竞争者。ADI的标准数字隔离芯片,最高信号发送速率可达到200Mbps,最高速率下器件能以50kV/µs的CMTI提供3kVRMS的隔离强度,能在各种电控系统中提供足够的增强型隔离。150 Mbps的隔离系列最大传播延迟为 13.5 ns,脉宽失真低于 3 ns,另外它能够在提供100kV/µs CMTI的同时以1侧电源电流17 mA,2侧电源电流17.5 mA的低功耗运行,既保证信号发送速率又降低了功耗。


纳芯微电子:市场份额快速提升,国内领先的数字隔离厂商


基于第二代隔离Adaptive OOK的信号调制技术,纳芯微数字隔离器性能指标都走向了新高度。产品优秀的性能也让纳芯微在数字隔离芯片市场市占率不断攀升,根据Markets and Markets发布的报告,2021年纳芯微的数字隔离器产品已位列国内三强,在全球市场竞争中也与国际巨头厂商等分居前十。


纳芯微旗下的NSi82XX系列,共模瞬变抗扰度CMTI高达200kV /µs。仅从这一项指标就能看出,作为国内首位量产数字隔离芯片的厂商,纳芯微在数字隔离器上的技术实力。


中科格励微:深度布局磁耦数字隔离


目前格励微以磁耦数字隔离技术为核心,形成了标准数字隔离器、隔离总线、隔离电源、隔离驱动、隔离运放等全系列产品。


旗下数字隔离器基于中科格励微科技有限公司自主隔离技术,目前旗下产品传输速率可达150Mbps,隔离耐压能力可达5kVRMS,25kV /µs的CMTI偏低还有很大的进步空间。


荣湃半导体:iDivider技术加持容耦隔离


iDivider技术是荣湃半导体发明的智能分压技术,该技术利用电容分压原理,在不需要调制和解调的情况下,实现电压信号跨越隔离介质精准传输。


目前荣湃半导体的数字隔离器最大速率已经做到了200Mbps,通道数最多可达6个,能提供120kV /µs的CMTI。可以看出系列产品性能十分优异,并且荣湃半导体还在不断地扩大数字隔离器的应用范围,据悉汽车领域是其下一个重要的推广方向,目前已成功研发符合车规级的产品。


小结


随着各领域应用对隔离芯片需求的数量和质量不断提升,虽然国内数字隔离芯片行业起步稍晚,但是在国产替代需求强烈的背景和市场需求的大力推动下,这个模拟细分市场出现了不少优质的国产生力军。目前国内的优质数字隔离器厂商通过技术创新,产品部分性能指标上实现了与国外厂商的对标,甚至做到了更优。同时国产数字隔离芯片也开始向高集成度,向车规级应用开始发展,这也是目前国产厂商重点布局的方向。


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