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前言
上期“艰难的替代”系列介绍了BMS芯片的重要分类——AFE芯片，本期我们介绍另一类重要的BMS芯片——数字隔离芯片：
数字隔离芯片的重要性
在现代电子系统中，隔离技术的应用日益重要，尤其是在确保高低电压模块间安全和可靠通信的场景中。隔离器件通过将输入信号进行转换和传递至输出端，实现了电气隔离的功能，从而保证了高电压（强电）和低电压（弱电）之间的安全信号传输。这种技术不仅有助于防止因故障导致的强电流直接流向弱电路造成的损害，还能消除两个电路之间的接地环路，有效阻断共模和浪涌等干扰信号，提高整个电子系统的安全性和可靠性。
数字隔离芯片作为隔离技术的一个重要分支，其产品定义和应用场景广泛，特别是在汽车领域的应用尤为突出。数字隔离芯片通过集成电源隔离和信号隔离在单个芯片上，实现了高度集成化，同时降低了成本和体积，提供了更为优越的技术解决方案。这些芯片主要用于高低压之间的数字通信，如电池管理系统（BMS）的主控板上高压采样与微控制单元（MCU）之间的串行外设接口（SPI）通信，以及采样板的模拟前端（AFE）与MCU的SPI通信。
在汽车应用中，数字隔离芯片的重要性不容小觑。随着电动汽车和混合动力车的发展，这些车辆中的高瓦数功率电子设备，如车载充电器（OBC）、DC/DC转换器和电机控制驱动逆变器等，均需要高度可靠的电气隔离以确保安全和性能。数字隔离芯片在这些应用中扮演着关键角色，它们不仅用于控制通信（如CAN和LIN总线）的隔离，还涉及到驱动MOSFET或IGBT的隔离驱动芯片，以及进行电流和电压采样的隔离ADC/隔离运放。隔离芯片不仅提高了系统的安全性，还有效地隔离了高压和信号干扰，特别是在储能电站的电池管理系统（BMS）中，它们通过板间通信，确保了系统的稳定和安全运行。
纳芯微高压储能 BMS 隔离产品示意图，来源：纳芯微官网
数字隔离芯片市场规模预测
数字隔离芯片在现代电子系统中发挥着越来越重要的作用，尤其是在新能源发电、储能系统和电动汽车等领域。这些芯片主要用于新能源发电和储能系统中的逆变器、变流器、PCS等设备，负责实现电气隔离、信号采样和通信等关键功能。
数字隔离芯片在新能源汽车上的应用，来源：安信证券研究中心
在电动汽车领域，隔离芯片用于多个关键系统，包括车载充电器、电池管理系统（BMS）、DC/DC转换器、电机控制驱动逆变器以及CAN/LIN总线通信等。随着电动汽车向400V至800V高电压系统的迁移，这些应用对隔离芯片的性能要求更高，包括更强的隔离耐压和更快的故障检测能力，以确保高压系统的稳定性和安全性。
全球数字隔离芯片下游引用占比（2020年），来源：Markets and Markets
根据Markets and Markets的数据，2022年全球数字隔离芯片市场的规模预计为18亿美元，预计到2027年将增长至27亿美元，其中复合年增长率为8.45%。这一增长主要受到两大应用领域——工业和汽车电子的推动，这两个领域在2020年的市场占比分别达到28.58%和16.84%，预计到2026年分别达到28.80%和16.79%。
全球数字隔离芯片市场规模预测，来源： Markets and Markets
欧美半导体公司如TI、Silicon Labs和ADI在数字隔离芯片市场上占据主导地位，这些公司的技术先进性和广泛的产品线使它们能够满足不断增长的市场需求。同时，中国的一些企业如纳芯微和荣湃半导体也在积极布局这一领域，并逐步提升其市场份额。这些公司通过提供性能可与国际大厂竞争的产品，正在逐渐改变市场的竞争格局。
数字隔离芯片技术趋势
隔离芯片的技术路线主要包括光耦隔离、容耦隔离和磁耦隔离。尽管光耦是最早使用的隔离技术，但其电介质强度较低，难以实现高级别的隔离。容耦技术通过电容原理实现信号的隔离传输，具有长寿命、低功耗和高传输速率的特点，但其浪涌保护能力受到限制。相比之下，磁隔离技术在高频DCDC电源转换中表现更佳，可以传输更高功率的信号，改善传输延迟和延迟偏差，适合于需要高频信号传输的应用。
隔离技术的类型主要包括磁感隔离（磁耦）、电容耦合隔离（容耦）和巨磁阻隔离。其中，容耦和磁耦因其优异的性能而广受市场青睐。容耦技术通常使用二氧化硅（SiO2）或聚酰亚胺（Polyimide）作为绝缘介质，具有较高的耐压特性和优异的隔离强度。例如，容耦的二氧化硅可以达到500伏每微米的耐压，而聚酰亚胺大约为300伏每微米。
主流架构及其进展
技术发展中，Pulse调制和OOK调制架构是较为常见的传输模式，特点是低功耗和高传输速率，但在强干扰环境下易出现数据错误。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，新一代调制技术Pulse-Coding应运而生。这种技术通过边沿编码技术，在数据传输完成后进入休眠状态，显著降低了功耗同时提升了抗干扰能力。此外，Pulse-Coding技术能达到高达200Kv/uS的共模瞬态抗扰度（CMTI）。
CMTI技术的重要性及发展
在CMTI技术方面，隔离器需要处理快速变化的扰动信号而不影响输出。采用高CMTI技术，如全差分发射接收机架构、等效共模输入阻抗控制和数字滤波技术，能有效提高信号的稳定性和准确性。全差分架构提供更高的信号完整性，等效共模输入阻抗控制技术确保在高扰动环境下信号仍然稳定，数字滤波技术则通过牺牲部分传输速率以换取更好的抗干扰性能。
高CMTI技术的实现
例如，川土微电子开发的高CMTI技术通过创新的接收电路设计，有效地控制了共模电平，即使在极端扰动条件下也能保持稳定的信号输出。此外，采用数字滤波技术，可以有效地减少误码率，提高整体系统的可靠性。
电磁干扰（EMI）的挑战与对策
另一方面，隔离器件也面临着电磁干扰（EMI）的挑战。为此，采用了多种技术如抖频技术、使用金属屏蔽层和高增益接收电路设计来降低EMI的影响。特别是容耦架构通过电场传递信号，相较于磁耦的磁场传输，自然辐射更小。这种策略不仅提高了设备的抗干扰性能，还有助于降低设备的整体功耗。
高度集成化技术的优势
在隔离技术的高度集成化方面，全集成隔离DC-DC技术展现出极高的集成度和转换效率。这种技术将隔离电源模组、数字隔离器和数字隔离接口三者集成于一体，显著缩小了封装尺寸，提高了效率。例如，集成芯片可以在更小的封装中实现更高的性能，这对于设备制造商来说是一个巨大的优势，因为它可以减少电路板的占用空间，降低整体系统的成本。
之，数字隔离技术的发展不仅仅关注单一的传输效率或隔离能力，更加重视整体解决方案的可靠性、集成度以及对环境干扰的抗性。随着第三代半导体技术的应用和市场需求的变化，数字隔离器件的技术路线和趋势将继续向着高性能、低功耗和高集成化方向发展。
主流车规数字隔离器玩家介绍
根据与非研究院的整理，目前市场主流的车规数字隔离器原厂包括亚德诺、德州仪器、芯科、英飞凌、意法半导体、思佳讯 、埃戈罗、安森美、NVE、Vicor、东芝、纳芯微、智芯微、数明、格励微科技、荣湃、川土微、思瑞浦、华大半导体、精控、矽朋、瞻芯等。以下为与非研究院整理的一部分玩家：
部分主流的车规隔离器原厂，来源：与非研究院整理
TI 提供了一系列基于二氧化硅绝缘栅的数字隔离产品，具有低功耗和高效率的特点，特别适用于需要高隔离性能和高数据速率的应用。ADI 则以其磁耦隔离技术著称，提供高达200Mbps的数据传输速率，其产品设计注重多通道灵活性和鲁棒性，适用于多种复杂的电控系统。
英飞凌的ISOFACE系列产品，利用无磁芯变压器技术，提供了高性能的隔离解决方案，尤其注重小型化和低功耗设计，适合现代化高要求的电子设备。
纳芯微是国内领先的数字隔离芯片厂商，采用Adaptive OOK技术和高压隔离工艺，提供高性能、低成本的隔离解决方案，已广泛应用于汽车和工业控制系统。中科格励微和荣湃半导体分别以其独特的磁耦和电容隔离技术在市场上独树一帜，提供高速率和低功耗的产品，适用于新能源汽车和智能电表等领域。锐来博作为新兴初创企业，侧重于通过优化架构降低成本，并专注于满足特定行业需求，例如电力和储能领域。
华大半导体的HSA6880-Q产品利用磁隔离技术，已达到车规级标准，广泛应用于新能源汽车的电控系统。智芯微的SCCK11410/1/2系列通过先进的氧化硅双层电容隔离结构实现高达5000Vrms的隔离电压，具备优异的数据传输稳定性和抗电磁干扰能力。
数明半导体的SiLM572x和SiLM574x系列产品，支持高达100Mbps的数据传输率，并具有低传播延迟和高共模瞬态抗扰度，特别适合于汽车和工业应用。
中科格励微则利用其在MEMS与CMOS工艺的深度融合技术，开发出小体积高效的隔离DC-DC转换芯片，如Gip50XX系列，适用于小功率信号隔离应用。思瑞浦的TPT772x和TPT774x系列产品，提供高速数据传输和优秀的电磁兼容性，支持低功耗运作，适合在噪声较多的工业环境中使用。
川土微的CA-IS303xT产品，作为高性能的隔离LVDS缓冲器，提供高达3750VRMS的隔离耐压和1.1Gbps的数据传输能力，是高端模拟信号和数据传输应用的理想选择。
矽朋微以其在能源效率和物联网芯片领域的专业知识而著称，开发了多种工业级专用处理器和电源管理解决方案。其主打产品SSP584X系列数字隔离器，以高速、低功耗、高隔离电压和优异的抗干扰性能为特色，适合于新能源管理系统和集成电路设计领域。
瞻芯电子在单通道栅极驱动芯片领域表现出色，其IVCO1A0x系列产品通过电容隔离技术，提供高绝缘耐压和高传输效率。这些芯片不仅支持车规级应用，还广泛用于工业电源、电机控制和电源转换系统。IVCO1A0x系列的高电流驱动能力和紧凑的封装设计，使其在高频率开关应用中具有显著优势，同时也确保了系统在苛刻环境下的可靠性和安全性。
总结
汽车中的应用呈现出电动化和智能化的双重趋势，随着这些趋势的发展，预期未来隔离芯片的需求将维持快速增长态势，尤其是在高压和高安全性要求的新能源汽车领域。预计随着新能源汽车的进一步普及，隔离芯片在电池管理系统、动力系统等关键领域的需求将保持增长势头。
尽管起步较晚，但强烈的国产替代需求和市场的积极推动已经催生了一批优质的国产数字隔离芯片厂商。这些厂商通过技术创新，在部分关键性能指标上已能与国际品牌相媲美，甚至超越。目前，国产隔离芯片正向高集成度和车规级应用方向发展，表现出了国内厂商在全球市场中的竞争力。面对来自国外企业的竞争，中国厂商在隔离芯片领域的快速发展显示出了其在全球市场中的竞争潜力。随着西方国家对华半导体制裁的不断加码，国内市场的自主创新和技术独立变得尤为关键。相信随着通过加大研发投入和优化生产流程，国内企业不仅能满足国内市场需求，也能在国际市场上占据一席之地。
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