隔離設(shè)計一直是半導(dǎo)體器件設(shè)計中舉足輕重的一環(huán)，尤其是在電源管理相關(guān)設(shè)計中，隔離是在實現(xiàn)信號或電源交換的同時用于提供保護功能的屏障，對于高壓系統(tǒng)的安全可靠運行至關(guān)重要。電源管理的集成度越來越高，需要實現(xiàn)的隔離、保護功能也越來越多，可以說出色的隔離技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為電源管理相當(dāng)重要的好壞因素。

憑借在為高壓系統(tǒng)開發(fā)新的隔離制造技術(shù)和集成電路方面二十余年的經(jīng)驗，德州儀器（TI）在2022年5月10日推出了新的固態(tài)繼電器產(chǎn)品系列，包括符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的隔離驅(qū)動器和開關(guān)——具有集成10V柵極電源的TPSI3050-Q1隔離式開關(guān)驅(qū)動器以及TPSI2140-Q1 1400V、50mA隔離式開關(guān)，旨在通過與眾不同的設(shè)計，利用高電壓隔離實現(xiàn)強大而可靠的系統(tǒng)運行。新產(chǎn)品的面世有助于提高電動汽車的安全性，同時滿足新一代汽車和工業(yè)系統(tǒng)對于超高電壓、抗擾性以及性能方面的要求。

（圖源：TI）

汽車與工業(yè)系統(tǒng)面臨新的隔離挑戰(zhàn)

對于新一代的汽車系統(tǒng)來說，新一代電動汽車從400V電池系統(tǒng)過渡到800V電池系統(tǒng)是一個大系統(tǒng)工程。自去年開始，海內(nèi)外眾多車企都在布局800V平臺，但800V高壓平臺的落地并不是那么容易，其中涉及從系統(tǒng)部件，到整車，以及基礎(chǔ)設(shè)施的整體配合變革，上至半導(dǎo)體元器件、電池模組安全性提升，下至車、樁、充電網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動升級。從隔離技術(shù)的角度來看，其中的挑戰(zhàn)在于如何通過隔離來實現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件（例如電機）之間的安全通信。

對于電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、機器人和電機控制等高壓工業(yè)應(yīng)用來說，電源相關(guān)的隔離同樣需要實現(xiàn)安全地與驅(qū)動系統(tǒng)中的高側(cè)組件進(jìn)行通信，在共模瞬態(tài)事件器件保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。

“高壓系統(tǒng)正變得越來越普遍，尤其是隨著電動汽車的普及。在 TI，我們非常專注于為系統(tǒng)設(shè)計人員尋找解決復(fù)雜隔離難題的新方法，例如在行業(yè)向 800V 電池過渡時確保車輛可靠和安全運行，同時減小解決方案尺寸和降低成本，”德州儀器（TI）電源開關(guān)、接口和照明副總裁兼總經(jīng)理Troy Coleman說。“通過在隔離技術(shù)中集成了更多功能，我們的新型固態(tài)繼電器使工程師能夠減小高壓電源的尺寸并降低其成本和復(fù)雜性，同時保障下一代汽車和工業(yè)系統(tǒng)的安全性。”

TI全新固態(tài)繼電器如何推進(jìn)隔離技術(shù)的發(fā)展？

從低壓信號安全地控制高壓系統(tǒng)（如隔離電阻監(jiān)測中的情況）的能力是開發(fā)許多汽車系統(tǒng)所必需的。盡管機電式繼電器和接觸器技術(shù)多年來有所改進(jìn)，但對于設(shè)計人員來說，要實現(xiàn)其壽命可靠性和快速開關(guān)速度以及低噪聲、沖擊振動和功耗目標(biāo)，仍然具有挑戰(zhàn)性。

電容式和電感式隔離固態(tài)繼電器（SSR）具有性能和成本的雙重優(yōu)勢，并且適合不同級別的隔離（無論是基礎(chǔ)型還是增強型）。TI全新的固態(tài)繼電器產(chǎn)品系列在單一芯片中集成了電源和信號傳輸，有助于工程師在設(shè)計中省去組件，并縮小解決方案尺寸和降低成本。因為不會隨著時間的推移而出現(xiàn)機械性能變差的情況，其壽命可靠性是傳統(tǒng)EMR的10倍。TI的固態(tài)繼電器產(chǎn)品系列通過集成電源和信號隔離淘汰移動器件實現(xiàn)了更高的系統(tǒng)可靠性。

（圖源：TI）

本次新發(fā)布的固態(tài)繼電器將電源和信號傳輸集成在單一芯片中，同時還從其設(shè)計中消除了至少三個元器件，從而顯著減小了解決方案尺寸，同時將BOM成本降低了多達(dá)50%。與機械繼電器解決方案相比，TPSI3050-Q1通過集成隔離電源、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動器的功能，可將解決方案尺寸縮小多達(dá)90%。與傳統(tǒng)固態(tài)光繼電器解決方案相比，TPSI2140-Q1通過集成信號FET和電阻器并消除了對舌簧繼電器的需求，可將解決方案尺寸減小多達(dá)50%。

（現(xiàn)有開關(guān)解決方案比較，來源：TI）

新型固態(tài)繼電器可以在幾微秒內(nèi)通過單個隔離柵斷開和連接負(fù)載（機電繼電器需要數(shù)毫秒），從而實現(xiàn)高壓汽車系統(tǒng)的更安全運行。TPSI3050-Q1提供高達(dá)5kVRMS的增強型隔離，TPSI2140-Q1提供高達(dá)3.75kVRMS的基礎(chǔ)型隔離，使其能夠?qū)崿F(xiàn)比固態(tài)光繼電器高四倍以上的時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿可靠性。兩款新品都通過集成隔離技術(shù)實現(xiàn)了更高的系統(tǒng)可靠性。

寫在最后

用更低的成本，更小的尺寸來實現(xiàn)更可靠的安全性，更高的介電強度、更強大的性能，TPSI3050-Q1隔離式開關(guān)驅(qū)動器以及TPSI2140-Q1隔離式開關(guān)為汽車應(yīng)用以及工業(yè)應(yīng)用提供了這個可能。