不可否認(rèn)的趨勢是更小、更輕的電氣系統(tǒng)，汽車電氣化就是一個(gè)典型的例子。專業(yè)服務(wù)公司普華永道估計(jì)，到 2024 年，混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車將占全球銷量的 40%。隨著汽車電氣化的增加，越來越多的電氣元件和系統(tǒng)之間對隔離的需求也越來越大。例如，帶有 400 V 直流電池組的電動(dòng)汽車正變得越來越普遍，具有明顯的安全隱患。

提供所需的下一代隔離解決方案增加了一系列新挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)，尤其是在隔離方面，涉及復(fù)雜的架構(gòu)和流程，這些架構(gòu)和流程限制了敏捷性和靈活性，同時(shí)為變革創(chuàng)造了障礙。競爭和全球化步伐的加快迫使供應(yīng)商關(guān)注上市時(shí)間 （TTM） 和投資回報(bào)率 （ROI）。這意味著開發(fā)團(tuán)隊(duì)必須按照壓縮的時(shí)間表完美執(zhí)行。

隨著設(shè)計(jì)和開發(fā)資源越來越受到審查和捉襟見肘，在所有關(guān)鍵學(xué)科中都沒有深厚的經(jīng)驗(yàn)。迭代需要保持在最低限度以達(dá)到目標(biāo)投資回報(bào)率，但與此同時(shí)，來自競爭對手的壓力可以快速、無情地推動(dòng)性能目標(biāo)，以進(jìn)一步區(qū)分產(chǎn)品。還有新的監(jiān)管機(jī)構(gòu)和更嚴(yán)格的法規(guī)增加了一層應(yīng)用測試和認(rèn)證。要求很高，風(fēng)險(xiǎn)也很高。

了解隔離設(shè)計(jì)

雖然隔離是隔離設(shè)計(jì)的重要組成部分，但它遠(yuǎn)非簡單。從確定所需的隔離級別，到提供隔離電源以補(bǔ)充隔離數(shù)據(jù)路徑，再到使解決方案適合可用空間——必須評估許多設(shè)計(jì)權(quán)衡。然而，每個(gè)新項(xiàng)目都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。

多種因素，包括技術(shù)難度、與先前設(shè)計(jì)的相似性、調(diào)度和資源配置，共同決定了可以使用多少重用與新設(shè)計(jì)選項(xiàng)。重復(fù)使用以前的設(shè)計(jì)或架構(gòu)方法，只需進(jìn)行最少的更改，通常會(huì)降低風(fēng)險(xiǎn)并加快執(zhí)行速度。但是，新功能或提高的性能水平通常決定了對新方法的調(diào)查。這也可能是花費(fèi)稀缺的開發(fā)資源來評估新技術(shù)和改進(jìn)技術(shù)以提供設(shè)計(jì)的增值部分。

傳統(tǒng)方法的局限性

集成隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)通過提供緊湊、易于使用的解決方案并具有文檔化的安全認(rèn)證，使許多這些問題更容易解決。考慮一個(gè)新項(xiàng)目被批準(zhǔn)的場景，其中以前的設(shè)計(jì)將升級到具有附加功能的更高性能指標(biāo)。團(tuán)隊(duì)成員立即精力充沛，準(zhǔn)備投入工作。但是技術(shù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人必須擔(dān)心可能出錯(cuò)的事情，并在更嚴(yán)格的預(yù)算和進(jìn)度限制下管理日益增加的復(fù)雜性。

在這些項(xiàng)目管理挑戰(zhàn)中，滿足日益苛刻的電磁兼容性 （EMC） 要求。越來越多的新興應(yīng)用和市場需要符合眾多 EMC 規(guī)范，并且隨著更嚴(yán)格的性能限制而不斷提高標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)有的分立解決方案（例如隔離式反激式轉(zhuǎn)換器）具有一些優(yōu)勢，包括較低的物料清單 （BOM） 成本，但也存在缺陷。典型的反激式設(shè)計(jì)（如圖 1 所示）包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)隔離變壓器的控制器、次級整流和濾波，以及一個(gè)光隔離反饋網(wǎng)絡(luò)。誤差放大器需要工程設(shè)計(jì)工作來開發(fā)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以穩(wěn)定電壓環(huán)路，并且取決于光耦合器性能的可變性。

1. 典型的隔離反激式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

光耦合器通常被視為用于電源的廉價(jià)隔離器，其電流傳輸比 （CTR） 會(huì)發(fā)生變化，這將限制電壓反饋性能和有效工作溫度范圍。CTR 參數(shù)定義為輸出晶體管電流與輸入 LED 電流的比率，并且是非線性的，具有很大的單元間可變性。光耦合器的初始 CTR 通常具有 2:1 的不確定性，在高溫環(huán)境（例如高功率和高密度電源中的環(huán)境）中使用多年后，其可能會(huì)降低高達(dá) 50%。對于項(xiàng)目經(jīng)理來說，從成本的角度來看，離散反激方法似乎更好，但需要在工程工作量和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)方面進(jìn)行權(quán)衡。

離散方法的另一個(gè)問題在于滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。安全機(jī)構(gòu)更密切地審查離散設(shè)計(jì)，因此獲得離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要認(rèn)證通常會(huì)導(dǎo)致多次設(shè)計(jì)迭代。

系統(tǒng)中的隔離也增加了復(fù)雜性。典型的非隔離設(shè)計(jì)具有通常的限制條件，例如輸入和輸出電壓范圍、最大負(fù)載電流、噪聲和紋波、瞬態(tài)性能、啟動(dòng)特性等。就其本質(zhì)而言，隔離柵消除了輕松監(jiān)控輸入的能力和輸出條件同時(shí)進(jìn)行，使得實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)變得更加困難。單獨(dú)的接地域也形成了一個(gè)偶極子天線，任何穿過屏障的共模電流都會(huì)激發(fā)偶極子并導(dǎo)致不需要的輻射能量。

通過測試

讓分立電源設(shè)計(jì)通過 EMC 認(rèn)證可能需要幾次迭代。EMC 測試耗時(shí)且昂貴，需要團(tuán)隊(duì)花費(fèi)大量時(shí)間在外部 EMC 合規(guī)性設(shè)施中準(zhǔn)備和監(jiān)控測試。當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，它會(huì)返回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行故障排除和更改。然后必須對設(shè)計(jì)進(jìn)行完全重新表征，以確保標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)不會(huì)因修改而受到影響。然后返回 EMC 設(shè)施進(jìn)行重新測試。

最后階段是獲得必要的安全認(rèn)證。這是另一個(gè)由外部安全機(jī)構(gòu)執(zhí)行的漫長而昂貴的過程。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須準(zhǔn)備大量文件，并由機(jī)構(gòu)仔細(xì)檢查。任何新的東西都會(huì)受到額外的審查，因此需要重復(fù)使用以前經(jīng)過認(rèn)證的電路。如果機(jī)構(gòu)決定不滿足安全要求，則可能需要更改分立式隔離電源設(shè)計(jì)。一旦修改，設(shè)計(jì)將再次需要重新表征并通過 EMC 測試。

更好的解決方案

這些問題的答案是完全集成且經(jīng)過安全認(rèn)證的組件，具有記錄的 EMC 性能。ADuM5020 / ADuM5028低輻射隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)例子，它采用了iso Power 技術(shù)。它們通過 5 V 直流電源提供高達(dá) 0.5 W 的隔離電源，工作溫度范圍為 –40°C 至 125°C。這些產(chǎn)品已通過 UL、CSA 和 VDE 的多個(gè)系統(tǒng)和組件安全規(guī)范認(rèn)證。它們在簡單的兩層印刷電路板上滿足 CISPR 22/EN 55022 B 類輻射發(fā)射要求。

2. 使用 ADuM5020 進(jìn)行緊湊而簡單的布局

小封裝占用的 PCB 面積小，無需安全電容即可滿足排放目標(biāo)。這使得隔離式電源電路比分立式方法更小、更便宜，例如嵌入式拼接電容器需要四層或更多層和定制間距才能產(chǎn)生正確的電容。

審核編輯：郭婷