電氣含量呈上升趨勢(shì)

不可否認(rèn)，電氣系統(tǒng)的趨勢(shì)是更小、更輕，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)力和全電動(dòng)汽車將占全球銷量的40%。隨著車輛電氣化的增加，越來(lái)越多的電氣元件和系統(tǒng)對(duì)隔離的需求也越來(lái)越大。例如，配備 400 V 直流電池組的電動(dòng)汽車正變得越來(lái)越普遍，具有明顯的安全隱患。

更多的電氣內(nèi)容需要更多的隔離

提供下一代隔離解決方案帶來(lái)了越來(lái)越多的挑戰(zhàn)和各種挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)，特別是在隔離方面，涉及復(fù)雜的架構(gòu)和流程，限制了敏捷性和靈活性，同時(shí)為變革制造了障礙。競(jìng)爭(zhēng)和全球化步伐的加快迫使公司更加關(guān)注上市時(shí)間 （TTM） 和投資回報(bào) （ROI）。這意味著開(kāi)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(kāi)發(fā)資源越來(lái)越受到審查和緊張，在所有關(guān)鍵學(xué)科中都沒(méi)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(lái)自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的壓力可以快速、無(wú)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)，增加了額外的應(yīng)用程序測(cè)試和認(rèn)證層。需求是陡峭的，風(fēng)險(xiǎn)是高的。

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，但它不是設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單部分。從確定所需的隔離級(jí)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，需要評(píng)估許多設(shè)計(jì)權(quán)衡。然而，每個(gè)新項(xiàng)目都有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求。多種因素，包括技術(shù)難度、與以前設(shè)計(jì)的相似性、日程安排和資源，共同決定了與綠地設(shè)計(jì)選項(xiàng)相比可以采用多少重用。以最少的更改重用以前的設(shè)計(jì)或架構(gòu)方法通?？梢越档惋L(fēng)險(xiǎn)并加快執(zhí)行速度。但是，新功能或性能水平的提高通常要求對(duì)新方法進(jìn)行調(diào)查。這也可能是花費(fèi)稀缺的開(kāi)發(fā)資源來(lái)評(píng)估新的和改進(jìn)的技術(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(guò)提供緊湊、易于使用且安全認(rèn)證的解決方案，使許多這些考慮因素更容易解決?？紤]一個(gè)新項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)的場(chǎng)景，其中以前的設(shè)計(jì)將升級(jí)到具有附加功能的更高性能指標(biāo)。團(tuán)隊(duì)成員立即充滿活力，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)的所有不同事情，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。

這些項(xiàng)目管理挑戰(zhàn)之一是滿足日益苛刻的電磁兼容性 （EMC） 要求。越來(lái)越多的新興應(yīng)用和市場(chǎng)要求符合眾多EMC規(guī)范，并且隨著性能限制的提高，標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。

現(xiàn)有的分立式解決方案，如隔離式反激式轉(zhuǎn)換器，具有一些優(yōu)點(diǎn)，包括較低的物料清單（BOM）成本，但也存在缺點(diǎn)。典型的反激式設(shè)計(jì)（圖1）包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)隔離變壓器的控制器，在次級(jí)上具有整流和濾波功能，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)來(lái)開(kāi)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的性能變化。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電流的比值，并且是非線性的，具有很大的單元間差異。光耦合器的初始CTR通常具有2：1的不確定性，在高溫環(huán)境中使用多年后，例如高功率和高密度電源中的CTR中，其性能會(huì)下降高達(dá)50%。對(duì)于項(xiàng)目經(jīng)理來(lái)說(shuō)，從成本的角度來(lái)看，離散的反激式方法似乎更好，但在工程工作和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)方面需要權(quán)衡。

圖1.典型隔離式反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

離散方法的另一個(gè)問(wèn)題是滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。安全機(jī)構(gòu)更密切地審查分立式設(shè)計(jì)，因此獲得分立式系統(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)中的隔離也增加了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。典型的非隔離設(shè)計(jì)具有通常的限制，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，隔離柵消除了同時(shí)輕松監(jiān)控輸入和輸出條件的能力，從而使實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)變得更加困難。獨(dú)立的接地域也形成偶極子天線，任何穿過(guò)勢(shì)壘的共模電流都會(huì)激發(fā)偶極子并導(dǎo)致不需要的輻射能量。

通過(guò)測(cè)試

要使分立式電源設(shè)計(jì)通過(guò)EMC認(rèn)證，可能需要幾次迭代才能正確。EMC 測(cè)試冗長(zhǎng)且昂貴，需要團(tuán)隊(duì)花費(fèi)大量時(shí)間在外部 EMC 合規(guī)性機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備和監(jiān)控測(cè)試。當(dāng)問(wèn)題確實(shí)發(fā)生時(shí)，它會(huì)返回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行故障排除和更改。然后，必須對(duì)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(cè)試。

最后階段是獲得必要的安全認(rèn)證。這是另一個(gè)漫長(zhǎng)而昂貴的過(guò)程，由外部安全機(jī)構(gòu)執(zhí)行。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。任何新事物都會(huì)受到額外的審查，這使得重用以前認(rèn)證的電路非?？扇　Ｈ绻麢C(jī)構(gòu)認(rèn)為分立式隔離電源設(shè)計(jì)不符合安全要求，則可能需要更改其設(shè)計(jì)。一旦修改，設(shè)計(jì)將需要再次重新表征并通過(guò)EMC測(cè)試。

更好的解決方案

這些問(wèn)題的答案是一個(gè)完全集成且經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的組件，具有記錄在案的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iso電源技術(shù)。它們采用 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(guò) UL、CSA 和 VDE 的多個(gè)系統(tǒng)和組件安全規(guī)范認(rèn)證。它們?cè)诤?jiǎn)單的 2 層印刷電路板上滿足滿載條件下的 CISPR 22/EN 55022 B 類輻射發(fā)射要求（PCB，圖 2）。?

圖2.采用ADuM5020的緊湊和簡(jiǎn)單的布局。

小型封裝（16 引腳和 8 引腳寬體 SOIC）占用的 PCB 面積非常小，并且無(wú)需安全電容即可滿足輻射目標(biāo)。這使得隔離電源電路比分立方法更小、更便宜，例如嵌入式旁路電容，需要四層或更多層，具有自定義間距才能產(chǎn)生正確的電容。

滿足更多隔離的需求，同時(shí)又不增加復(fù)雜性

隨著汽車和其他車輛電氣化的不斷發(fā)展，隔離的需求也在增加。與此同時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)加劇推動(dòng)了降低成本和縮短上市時(shí)間的必要性。再加上更嚴(yán)格的監(jiān)管要求和隔離設(shè)計(jì)的固有復(fù)雜性。這種市場(chǎng)需求和挑戰(zhàn)的匯合，傳統(tǒng)的隔離方法無(wú)法成功解決。完全集成且經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器具有記錄的EMC性能，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了更好的解決方案。它們可以顯著降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并確保更好的EMC測(cè)試和合規(guī)性。由于花在重新設(shè)計(jì)、重新表征和重新測(cè)試上的時(shí)間更少，設(shè)計(jì)人員可以減少電路板空間、降低風(fēng)險(xiǎn)、降低成本并縮短上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷