不可否認的,電氣系統變得更小也更輕,其中,車輛電氣化就是一個最好的例子。專業服務公司普華永道(PwC)預計,到2024年時,混合動力車和全電動車將占全球銷售量的40%。隨著車輛電氣化程度的提高,有越來越多的電氣元件和系統需要隔離。例如,配備400V直流電池組的電動車便逐漸變得越來越普遍,但這也帶來了明顯的安全隱憂。

更多電子產品需要更多隔離

新一代隔離解決方案面臨的挑戰,無論是在數量或是類型上都呈現不斷增加的趨勢。尤其是對於隔離設計而言,這些系統涉及複雜的架構和流程並且會限制敏捷性和靈活性,同時也為變革帶來阻礙。競爭與全球化步伐加速迫使企業更加關注上市時間(TTM)和投資報酬率(ROI)。這意味著開發團隊必須在更短的時間內完美地執行計畫。隨著對設計和開發資源越來越嚴密地審查和更多的需求,所有關鍵設計領域尚缺乏大量的經驗,不但需要保持最少反覆運算次數才能夠達到投資回報目標,與此同時,來自競爭對手的壓力又會快速而無情地推高性能目標,如此才能使產品與眾不同。新的主管機構和更嚴格的法規則又需要額外增加一層應用測試和認證。當需求陡增,風險極高。

瞭解隔離設計

雖然隔離是隔離設計的重要組成部分,但它並不是簡單的設計部分。

從確定所需的隔離級別到提供隔離電源以輔助隔離資料路徑,再到使解決方案適合可用空間——需要評估許多設計權衡因素。然而,每個新專案都有自己獨特的設計目標和設計要求。多種因素(包括技術難度、與先前設計的相似性、時間安排和資源配置)共同決定了有多少設計可以重複利用,以及需要多少全新設計選項。透過極少的更改,重複利用先前的設計或架構方法通常可以降低風險並加快執行速度。但是,新功能或性能水準 的提高往往決定了需要研究新方法。將稀缺的開發資源用於評估新技術和改良技術,提高設計的技術價值,這一點也很重要。

傳統方法的局限性

整合型隔離式DC-DC轉換器的出現,提供了一個精巧易用的解決方案,並具有文檔化的安全認證,使得上述諸多考慮因素更容易得到解決。假設有這樣的一個場景,是新專案已獲批准,需要升級先前的設計,以達到更高的性能指標並具有更多功能。團隊成員立即充滿活力,準備投入工作。然而,專案技術負責人不得不為所有可能出錯的因素而擔憂,而且在更緊張的預算和進度限制下,管理的複雜性日益增加。

滿足越來越嚴苛的電磁相容性(EMC)要求是這些專案管理挑戰之一。越來越多的新興應用和市場需要符合眾多EMC規範,而且標準也隨更嚴格的性能限制而不斷提高。

現有的 分離式解決方案(如隔離返馳式轉換器)具有物料清單(BOM)成本低等優點,但也存在一些缺點。典型的返馳式設計(圖1)包含驅動隔離變壓器的控制器、次級整流和濾波以及光隔離回饋網路。誤差放大器需要開發補償網路的設計工程以穩定電壓回路,並且它的性能還取決於光耦合器性能的一致性。光電耦合器常常被視為廉價隔離器而用於電源,但其電流傳輸比(CTR)變化限制了電壓回饋性能和有效工作溫度範圍。

CTR參數定義為輸出電晶體電流與輸入LED電流之比,並且它是非線性的,具有明顯的個體差異。光耦合器的初始CTR通常具有2比1的不確定性,在高溫環境中使用多年後下降高達50% (例如在高功率、高密度電源中的光耦合器)。對於專案經理而言,從成本的角度來看,返馳式分離元件方法似乎更好,但需要權衡工程量和技術風險。

20181225_ADI_TA31P1 圖1:典型隔離式反激DC/DC轉換器

分離式方法的另一個問題,在於能否滿足安全標準。安全機構對分離式設計的審查越發嚴密,因此針對分離式系統設計獲得必要的認證通常需要進行多次設計反覆運算。

系統中的隔離也增加了電源設計的複雜性。典型的非隔離設計具有常見的約束條件,如輸入電壓和輸出電壓範圍、最大負載電流、雜訊和漣波、暫態性能、啟動特性等。就其本質而言,隔離屏障無法同時輕鬆監控輸入和輸出條件,這使得性能指標的實現更加困難。分割的接地域還會形成耦極天線,並且穿過勢壘的任何共模電流將激勵耦極子,並且產生無用的輻射能量。

通過測試

為使分離式電源設計能通過EMC認證,將可能需要進行幾次反覆運算才能正確完成。EMC測試耗時且昂貴,團隊需要在外部EMC合規性機構花費數小時進行準備並監控測試。一旦問題發生時,又要回到實驗室進行故障排除和更改。然後必須對設計進行全面地重新表徵,以確保標準性能指標不會因修改而受到影響。接下來,又再回到EMC機構進行重新測試。

最後階段是獲得必要的安全認證。這是另一個漫長而昂貴的過程,由外部安全機構執行。設計團隊必須準備大量檔,並交由機構仔細檢查。任何新設計都需要進行額外的審查,因此重複利用先前已經過認證的電路非常令人期待。如果機構認定產品不符合安全要求,就可能需要...

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