隔離在我們身邊無處不在，無論是個人電子產(chǎn)品、汽車，還是智能電網(wǎng)、工廠自動化......在需確保系統(tǒng)穩(wěn)健可靠運行的場合都需要隔離。隔離如此重要主要是源于人們的生活離不開高電壓，為了更加經(jīng)濟高效地輸電，高壓輸電成為關(guān)鍵，隔離技術(shù)則是高壓環(huán)境中守護安全的重中之重。
隔離技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)的機電繼電器 (EMR) 在高壓開關(guān)應(yīng)用中很常見。EMR使用電磁力來機械地打開和關(guān)閉觸點，具有極低的導(dǎo)通電阻，觸點本質(zhì)上是金屬對金屬的連接。EMR需要在開關(guān)速度和可靠性方面權(quán)衡取舍。繼電器內(nèi)部的活動器件是一個限制因素，開關(guān)速度通常在5ms到15ms范圍內(nèi)。隨著時間的推移和使用，EMR可能會出現(xiàn)諸如拱起、顫動和焊接閉合等故障。
光繼電器是對傳統(tǒng) EMR 的改進，不含有動觸點，相比機械繼電器而言具有更長久的可靠性。但有設(shè)計注意事項，例如對可實現(xiàn)的功率傳輸?shù)南拗埔约皟?nèi)部LED的老化。此外，光繼電器需要外部限流電阻器，并且通常使用額外的場效應(yīng)晶體管 (FET) 來管理LED的開或關(guān)狀態(tài)。
在新一代的汽車和工業(yè)系統(tǒng)中，隨著應(yīng)用需求的不斷提高，光耦隔離器已經(jīng)難滿足新的隔離挑戰(zhàn)。
如今電動汽車呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，高壓電池組作為電動汽車的一項基本賦能技術(shù)，能夠讓牽引逆變器、傳動系和其他電子器件運行，并產(chǎn)生啟動汽車所需的電能。隨著新一代電動汽車從 400V 電池系統(tǒng)過渡到800V 電池系統(tǒng)，需要通過隔離來實現(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。
與此同時，可再生能源變得越來越重要，支持和賦能可再生能源可持續(xù)發(fā)展是大勢所趨。可再生能源最基本的原則之一就是盡可能降低能源損失。太陽能發(fā)電系統(tǒng)是將能量從太陽能轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)中使用的交流電，從而利用可再生能源發(fā)電。基于高效和成本效益并充分利用可再生能源的追求，要盡可能降低能源損失，需要進行高壓配電，因此必須進行隔離。而電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、機器人和電機控制等高壓工業(yè)電源對隔離技術(shù)也有著新的要求：
一是針對可能損壞設(shè)備或傷害人身安全的高壓浪涌提供保護；
二是互連時如涉及較大的接地電位差 (GPD)，則可省去接地環(huán)路；
三是安全地與電機驅(qū)動系統(tǒng)中的高側(cè)組件通信；
四是在共模瞬態(tài)事件期間保持數(shù)據(jù)完整性。
德州儀器(TI)電源開關(guān)、接口和照明部門副總裁兼總經(jīng)理Troy Coleman表示，TI深耕隔離領(lǐng)域近25年，特別是為高壓系統(tǒng)開發(fā)隔離制造技術(shù)和集成電路。從推出業(yè)內(nèi)先進的SiO2電容隔離器，到發(fā)布和認證多千伏級產(chǎn)品，再到幾百萬小時的可靠性測試和投資開發(fā)300mm制造領(lǐng)域的隔離技術(shù)，TI不斷加快創(chuàng)新并擴展產(chǎn)品系列，提供在業(yè)內(nèi)具有超高可靠性的全新隔離產(chǎn)品，同時降低系統(tǒng)成本和布板空間，解決客戶較為復(fù)雜的設(shè)計挑戰(zhàn)。
TI在隔離領(lǐng)域的創(chuàng)新（圖源：TI公司）
業(yè)內(nèi)先進的三類隔離器件
針對機械繼電器具有易磨損、溫度依賴性、體積大且價格不菲等缺點，TI認為可以通過半導(dǎo)體解決方案來取代機械繼電器，Troy Coleman表示，這也是助力推動電源發(fā)展趨勢和安全可靠地生產(chǎn)更多電動汽車的技術(shù)之一。
對此，TI近期推出了三類全新的隔離產(chǎn)品：一類是固態(tài)繼電器，包括TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1兩個產(chǎn)品；一類是隔離式比較器 AMC23C12；一類是隔離式偏置電源，包括 UCC12050 和 UCC14240-Q1。
·TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1
電容式和電感式隔離固態(tài)繼電器 (SSR) 具有性能和成本優(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 推出新型固態(tài)繼電器（圖源：TI公司）
5月10日，TI推出了完全集成電源和信號隔離功能的固態(tài)繼電器TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1，有助于在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中實現(xiàn)多千伏級隔離。產(chǎn)品可提供業(yè)內(nèi)出色的可靠性，幫助提高電動汽車 (EV) 的安全性；同時還支持超小尺寸的解決方案，降低動力總成和 800V 電池管理系統(tǒng)的物料清單 (BOM) 成本。
與EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔離式開關(guān)和TPSI3050-Q1隔離式驅(qū)動器具有更高的可靠性和更長的使用壽命，因為它們不會隨著時間的推移而出現(xiàn)機械性能變差的情況。因此，SSR的壽命可靠性是傳統(tǒng)EMR的10倍。TI的SSR還可以在幾微秒內(nèi)進行切換，比EMR快幾個數(shù)量級（通常需要數(shù)毫秒）。
由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通過單個隔離柵集成了電源和信號傳輸，因此無需二次偏置電源，從而可以實現(xiàn)減小解決方案尺寸。
與傳統(tǒng)光繼電器和光耦合器相比，TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有優(yōu)勢。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性優(yōu)于光繼電器，因為不存在LED老化情況。無需外部控制電路，因為邏輯電平輸入可以直接驅(qū)動系統(tǒng)。
表 1：現(xiàn)有開關(guān)解決方案的比較情況
“TI在隔離技術(shù)領(lǐng)域深耕多年，通過在隔離技術(shù)中集成更多功能，能夠?qū)崿F(xiàn)固態(tài)繼電器解決方案，幫助客戶降低復(fù)雜性，并保持電動汽車等隔離環(huán)境所需的安全性，甚至更輕松地過渡到 800V 技術(shù)。”Troy Coleman進一步表示，“這些新器件不僅將電源和信號傳輸集成到了單一芯片，還提供額外的功能和靈活性，使設(shè)計人員能從設(shè)計中至少省去三個元件。與現(xiàn)今市場中的機電繼電器和固態(tài)光繼電器解決方案相比，TI的解決方案尺寸和 BOM 成本可減少達 50%。”
該產(chǎn)品系列面向電動汽車領(lǐng)域，TI接下來還將提供適用于工業(yè)特定系統(tǒng)的解決方案。目前TI已在 其官網(wǎng)上發(fā)布了預(yù)量產(chǎn)樣片。同時也公布了兩種器件的大量資源，包括配套的EVM評估板，以及很多實用信息、技術(shù)文章和文檔。
· AMC23C12
針對大功率工業(yè)系統(tǒng)（例如電機驅(qū)動器和光伏逆變器，以及電動汽車充電器、牽引逆變器、車載充電器和直流/直流轉(zhuǎn)換器等汽車系統(tǒng)）的快速故障檢測需求，TI 推出了全新的增強型隔離式比較器 AMC23C12。它是業(yè)內(nèi)超小型的解決方案，可實現(xiàn)隔離式雙向過流、過壓和過熱檢測，有助于快速檢測各種故障事件，幫助設(shè)計人員開發(fā)具有更高容錯能力的高壓系統(tǒng)。該器件還結(jié)合了標準比較器功能與穩(wěn)健的電隔離柵，可縮小整個系統(tǒng)尺寸并降低成本。
AMC23C12 的突出優(yōu)勢在于：
（1）集成了一個寬輸入范圍低壓降穩(wěn)壓器、一個窗口比較器和一個精密電壓基準，所有功能集成在增強型隔離式 8 引腳 SLIC 封裝內(nèi)，與分立式方案相比，將解決方案尺寸縮小50%。
（2）在最惡劣情況下跳變閾值精度低于3%，有助于工程師減少設(shè)計裕度，支持更小尺寸的無源器件。
（3）小于 400ns 的響應(yīng)時間，提供超快過流和過壓檢測，從而更好地保護系統(tǒng)。
（4）通過單個外部電阻器實現(xiàn)可調(diào)跳變閾值，可促進不同設(shè)計重復(fù)使用。
該器件也處于預(yù)量產(chǎn)階段，并已在 TI官網(wǎng)上開放訂購。TI同時提供軟件設(shè)計資源、評估模塊、技術(shù)文章和數(shù)據(jù)表等內(nèi)容，為設(shè)計人員提供參考。
·UCC12050 和 UCC14240-Q1
隨著工業(yè)系統(tǒng)對隔離技術(shù)的要求越來越高，除了隔離，還需要提供高功率密度和低EMI，從而提高產(chǎn)品的效率并簡化合規(guī)性。對于電源設(shè)計人員而言，在越來越小的空間內(nèi)提供更多功率的需求仍是主要的電源趨勢，隨著汽車和各種不同應(yīng)用具有越來越多的功能，這一需求也對 EMI 帶來了挑戰(zhàn)。
針對設(shè)計人員面臨的隔離和 EMI 的雙重挑戰(zhàn)，TI開發(fā)出了突破性的集成變壓器技術(shù)，僅指尖大小的UCC12050 和 UCC14240-Q1隔離式偏置電源，能在 IC 尺寸的封裝中實現(xiàn)隔離式功率傳輸。
TI 集成變壓器技術(shù)（圖源：TI公司）
UCC12050 是 TI于2020 年推出的器件，利用集成變壓器技術(shù)，讓客戶能夠?qū)⑵浣鉀Q方案尺寸縮小 80% 以上。此外，UCC12050 的效率為 50%，功率密度是同類隔離電源模塊的兩倍。它采用新型架構(gòu)，功率約 0.5W，并且可靠性更高、BOM 更小，并簡化了電路板布局布線。
UCC14240-Q1 是TI在2021年新推出的器件，是該產(chǎn)品系列中的最新器件，同樣利用了TI的專有集成變壓器技術(shù)。此外，UCC14240-Q1 是業(yè)內(nèi)尺寸超小、精度超高的 1.5W 隔離式直流/直流偏置電源模塊。利用這款器件，系統(tǒng)設(shè)計工程師可以將性能、集成和功率密度提高到新水平，它簡單、易于使用，可加快上市速度。
TI提供了帶有集成變壓器的汽車類 SPI 可編程柵極驅(qū)動器和偏置電源參考設(shè)計，可為牽引逆變器中大功率碳化硅開關(guān)提供隔離式偏置和隔離式驅(qū)動提供經(jīng)過測試的設(shè)計；可簡化駕駛員高級保護的功能安全認證；支持在 800V 動力總成中使用高隔離 3kV RMS；提供單個 IC 上的 +15V/-5V 完全隔離轉(zhuǎn)換。
不難看出，TI正在以多種方式支持汽車平臺向800V過渡。電源管理設(shè)計挑戰(zhàn)繞不過低EMI、功率密度、低靜態(tài)電流、低噪聲和隔離，800V系統(tǒng)亦是如此。TI在固態(tài)繼電器方面，將隔離集成到更小體積的封裝，實現(xiàn)更高的功率密度，并進一步降低靜態(tài)電流，以節(jié)省電池壽命；集成隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器方面，通過減少重量、尺寸和提高800V電動汽車的效率以提高功率密度。
針對TI如何突破小尺寸封裝挑戰(zhàn)，Troy Coleman表示：“最大的挑戰(zhàn)是將電源、信號、柵極驅(qū)動、場效應(yīng)管等如此多的功能集成到單個封裝中，與此同時，還必須保證高電壓的爬電距離和隔離等級。TI通過可靠的測試方法，以及在硅與封裝領(lǐng)域的創(chuàng)新解決方案可以解決這些問題。”
