不管是在工廠自動(dòng)化場(chǎng)景、樓宇自動(dòng)化場(chǎng)景、消費(fèi)電子場(chǎng)景、車用場(chǎng)景或是醫(yī)療設(shè)備場(chǎng)景,器件想要在任何場(chǎng)合穩(wěn)定運(yùn)行都少不了隔離。而且這些場(chǎng)景中都有不少新的隔離挑戰(zhàn)出現(xiàn)。
在汽車應(yīng)用里,需要通過(guò)隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信的需求愈發(fā)明顯,在工業(yè)系統(tǒng)中,對(duì)高壓浪涌、大接地電位差、高側(cè)組件通信以及共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)的保護(hù)也愈發(fā)迫切,器件隔離的需求與挑戰(zhàn)都迫在眉睫。
比較器加隔離,增強(qiáng)檢測(cè)功能
在高壓類應(yīng)用或者安全關(guān)鍵型應(yīng)用中,一個(gè)出色的隔離技術(shù)融合可以帶來(lái)器件超高的工作電壓以及可靠性,同時(shí)也會(huì)顧及到盡可能小的尺寸以及盡可能低的成本。對(duì)于大功率工業(yè)系統(tǒng)(如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光伏逆變器)以及汽車系統(tǒng)(包括電動(dòng)汽車充電器、牽引逆變器、車載充電器和直流/直流轉(zhuǎn)換器)而言,故障檢測(cè)機(jī)制必不可少。
故障檢測(cè)通過(guò)電流、電壓和溫度測(cè)量來(lái)診斷系統(tǒng)內(nèi)的任何交流電力線波動(dòng)、機(jī)械或電氣過(guò)載。隨著提高系統(tǒng)彈性和采用更快的開關(guān)晶體管(如 SiC 和 GaN)的需求激增,對(duì)準(zhǔn)確和快速故障檢測(cè)的需求變得更加重要。
標(biāo)準(zhǔn)的比較器結(jié)合穩(wěn)健的電隔離屏障,可以實(shí)現(xiàn)隔離式的雙向過(guò)流、過(guò)壓以及過(guò)熱檢測(cè),給高壓系統(tǒng)提供有效的容錯(cuò),縮小設(shè)計(jì)裕度,降低無(wú)源器件的要求。 我們以TI的AMC23C12為例,作為近期推出的超小型隔離比較器,其響應(yīng)時(shí)間超快(<400ns),可高效保護(hù)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的碳化硅和氮化鎵晶體管。具有可調(diào)跳變閾值和低于3%的精度(在最惡劣情況下),可滿足日益增長(zhǎng)的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、欠壓和欠流檢測(cè)需求。
(隔離比較器,TI)
小尺寸是這類添加隔離的比較器都很關(guān)注的點(diǎn),因?yàn)樵鎏砹烁綦x的器件尺寸不可避免地會(huì)增加。可以在封裝中集成了用于為高側(cè)供電的寬輸入范圍低壓降穩(wěn)壓器、精密基準(zhǔn)等,這種設(shè)計(jì)與分立式部署相比,印刷電路板面積和組件數(shù)量可以大幅減少。
在IC尺寸封裝中實(shí)現(xiàn)隔離電源傳輸
對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員而言,需要用越來(lái)越小的尺寸提供更多功率,這將繼續(xù)成為電源領(lǐng)域的主要趨勢(shì)。但隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越小,這也造成了更多隔離和 EMI 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。集成變壓器技術(shù)于2020年首次推出,該技術(shù)的推出縮小了隔離式電源傳輸,使其可納入IC尺寸的封裝中,實(shí)現(xiàn)了高密度隔離式直流/直流電源轉(zhuǎn)換,同時(shí)可保持低EMI和高可靠性。作為TI專有的技術(shù),集成變壓器具有極低的初級(jí)到次級(jí)電容,并針對(duì)EMI性能進(jìn)行了優(yōu)化。
汽車應(yīng)用中半分布式和分布式偏置電源架構(gòu)是一大行業(yè)趨勢(shì),現(xiàn)在這種集成變壓器的隔離式直流/直流偏置電源模塊開始支持這種行業(yè)大趨勢(shì)。從性能來(lái)看,隔離式電源傳輸集成閉環(huán)控制在正常溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)雙輸出,精度在±1.0%,結(jié)合使用3.5pF的初級(jí)到次級(jí)電容,可降低高速開關(guān)產(chǎn)生的EMI,很輕松地實(shí)現(xiàn)超過(guò)150V/ns的共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)性能。
(UCC14240-Q1,TI)
在需要隔離的工業(yè)應(yīng)用中,例如我們上面所說(shuō)的工業(yè)運(yùn)輸、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備、工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制,這種隔離技術(shù)的引入,工程師可將電源解決方案尺寸縮小高達(dá)80%并盡量提高功率密度。
小結(jié)
隔離設(shè)計(jì)一直是半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)中舉足輕重的一環(huán),尤其是在電源管理相關(guān)設(shè)計(jì)中,隔離是在實(shí)現(xiàn)信號(hào)或電源交換的同時(shí)用于提供保護(hù)功能的屏障,對(duì)于高壓系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。電源管理的集成度越來(lái)越高,需要實(shí)現(xiàn)的隔離、保護(hù)功能也越來(lái)越多,可以說(shuō)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。
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