【導(dǎo)讀】半導(dǎo)體技術(shù)一路高歌猛進(jìn)卻似乎總是有幾道“魔咒”難以破除，包括電容、電感、光耦和變壓器這樣的無源器件的集成一直沒有明顯的突破，特別是尺寸龐大但應(yīng)用廣泛的變壓器成了開關(guān)電源設(shè)計工程師一直以來的噩夢，大尺寸、高功耗、EMI輻射、紋波……各種掣肘如影隨形。
半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步將電路尺寸不斷壓縮，曾經(jīng)用一個大房間才能存放的大型計算機(jī)性能今天一臺筆記本就可以做到，集成電路的集成度已經(jīng)達(dá)到單芯片數(shù)億晶體管的規(guī)模。然而，半導(dǎo)體技術(shù)一路高歌猛進(jìn)卻似乎總是有幾道“魔咒”難以破除，包括電容、電感、光耦和變壓器這樣的無源器件的集成一直沒有明顯的突破，特別是尺寸龐大但應(yīng)用廣泛的變壓器成了開關(guān)電源設(shè)計工程師一直以來的噩夢，大尺寸、高功耗、EMI輻射、紋波……各種掣肘如影隨形。
作為高性能模擬技術(shù)提供商，ADI一直在嘗試突破這些阻礙模擬技術(shù)進(jìn)步的“魔障”，其研發(fā)的iCoupler磁隔離技術(shù)將傳統(tǒng)的變壓器用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝實現(xiàn)了集成，將傳統(tǒng)的采用磁芯的機(jī)械式變壓器片上化，并且具有高帶寬、低電感和高阻抗等優(yōu)點。ADI公司利用微變壓器設(shè)計方面的經(jīng)驗，開發(fā)出了芯片級DC-DC功率轉(zhuǎn)換器isoPower系列。最近，ADI再次發(fā)布isoPower系列新品，將產(chǎn)品的關(guān)鍵性能EMI指標(biāo)實現(xiàn)“大躍進(jìn)”，磁隔離在傳統(tǒng)性能優(yōu)勢上進(jìn)一步解決了過去EMI短板，實現(xiàn)魚與熊掌可以得兼的目標(biāo)。
隔離電源EMI輻射示意框圖
革命性電源架構(gòu)第二代克服EMI短板
ADI磁隔離技術(shù)歷經(jīng)近20年的發(fā)展，最開始的產(chǎn)品是信號隔離。磁隔離的特點就是它含有全能量，基于該技術(shù)ADI多年后又推出了內(nèi)置變壓器的芯片級電源隔離產(chǎn)品，跟普通芯片一樣在純凈廠房里跟半導(dǎo)體器件一樣生產(chǎn)出來，而不是像傳統(tǒng)的零散機(jī)械元件組裝而成。
第二代技術(shù)滿足了無線電干擾特性CISPR 22/EN 55022 B類輻射標(biāo)準(zhǔn)
“第一代技術(shù)尺寸特別小的特點為大家所歡迎，但缺點也明顯——EMI不是很好，輻射比較大。因為芯片級的線圈尺寸很小，所以它的工作頻率特別高，數(shù)百兆的工作頻率把能量傳到隔離帶時，必然有一些共模的信號或者噪聲會輻射出去。” ADI數(shù)字隔離器產(chǎn)品部經(jīng)理陳捷在一場演講中表示。過去ADI工程師對這些問題也給予了修正的方法，如建議在隔離芯片兩端跨接安規(guī)電容，用電容給它提供一個基礎(chǔ)的反饋路徑，或者利用四層pcb的內(nèi)層要做一個交疊形成電容特性，從而提供一個低阻抗的反饋路徑來抑制EMI。
“但很明顯，這兩種方法或多或少會給客戶帶來一些麻煩。所以，我們的研發(fā)團(tuán)隊一直在努力克服這個問題，我們現(xiàn)在的第二代產(chǎn)品就從芯片本身成功地解決了這個EMI的問題。”陳捷解釋道。第二代產(chǎn)品在線圈的設(shè)計上做了一些改進(jìn)，對稱性更好，并在頻率頻譜上增加擴(kuò)頻，將原來頻譜工作頻率的尖峰峰值擴(kuò)開。“原來可以看到是一個單點的尖峰，現(xiàn)在用擴(kuò)頻的方式把它展開了，就把能量降下來了。”陳捷指出，新的指標(biāo)可以輕松達(dá)到Class A、Class B的輻射標(biāo)準(zhǔn)。“利用第二代技術(shù)不需要做任何跨接電容處理，可以只用兩層pcb板，在輸出端加兩個磁珠和兩個電容即可。”陳捷表示。
100mA時使用2層pcb：準(zhǔn)峰值滿足CISPR 22 B類標(biāo)準(zhǔn)，915MHz時裕量為-5.1dBμV
陳捷口中的第二代產(chǎn)品是ADI近日宣布推出的其新一代增強(qiáng)隔離式電源轉(zhuǎn)換器ADuM5020/6020和ADuM5028/6028系列，可以使系統(tǒng)滿足EN 55022/CISPR 22 B類電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)的需求，無需在應(yīng)用層面使用高成本的EMI抑制技術(shù)，并且可簡化EMI認(rèn)證流程，降低設(shè)計成本和縮短設(shè)計時間。ADI將其隔離產(chǎn)品的“斷代”的關(guān)鍵參考指標(biāo)放在EMI特性上，在十多年前推出第一代隔離電源之后ADI陸續(xù)推出了若干系列新品，但因為在EMI方面沒有做太多的優(yōu)化而仍歸屬第一代產(chǎn)品。隨著行業(yè)對EMI特性關(guān)注度越來越高，ADI投入幾十人用了兩年時間，完成了從研發(fā)到工藝、封裝、測試，完整完成新一代低EMI產(chǎn)品研發(fā)。
集成化趨勢下，通道隔離需求再上臺階
電源隔離集成化趨勢已經(jīng)形成，在新能源汽車、工業(yè)控制、儀器儀表和醫(yī)療等行業(yè)，越來越多的要用到高集成度的通道與通道之間隔離。“比如我們看到有些溫度采樣的設(shè)備，它可能一個板子上8個通道、8個ADC，要給這個ADC做隔離、信號要隔離，還要隔離電源，那用我們這種隔離芯片就特別方便。”陳捷指出，“現(xiàn)在有些高端產(chǎn)品就是要求每個通道之間都要隔離，它不能共用隔離電源。”儀器行業(yè)的小型化趨勢也正在促進(jìn)集成隔離電源的需求增加，甚至在一些便攜式的醫(yī)療設(shè)備上也開始對隔離性能提出更高需求。
簡化兩層pcb布局的ADuM5020/ADuM5028評估板
“例如醫(yī)療這塊會有更高隔離等級的標(biāo)準(zhǔn)，ADuM6000系列以及ADuM6020的隔離等級就更高。另外，像汽車應(yīng)用對輻射的要求也越來越高，所以我們希望能在輻射的能量上進(jìn)一步的抑制，有更大的裕量。”陳捷表示，“我們還做了一個更小的SO8封裝，堪稱業(yè)界最小的隔離電源解決方案。另外，由于這個技術(shù)輸出的功率不是很大，盡管現(xiàn)在的500毫瓦已經(jīng)能滿足許多的應(yīng)用，但將來ADI可能會往更大的輸出功率去發(fā)展。”
成功挑戰(zhàn)光耦傳統(tǒng)市場，磁隔離持續(xù)走強(qiáng)
作為最傳統(tǒng)的一種隔離方式，光耦在市面上應(yīng)用已超過50年，目前在很多場合還占領(lǐng)主流應(yīng)用。ADI第二代隔離電源產(chǎn)品突破EMI的最大掣肘是否能在隔離電源大展拳腳、攻城略地？“隔離應(yīng)用通常與安全以及產(chǎn)品性能認(rèn)證直接相關(guān)，導(dǎo)致市場對新技術(shù)采納偏向保守，新產(chǎn)品和技術(shù)的市場滲透和切換會比別的產(chǎn)品慢，這是這個市場的特點。”陳捷表示。
然而光耦的顯著缺點這些年正在為新型隔離技術(shù)提供了切入點，尤其是相對于磁隔離最大的一個問題是集成度差。“特別是做多通道隔離時光耦技術(shù)單個封裝實現(xiàn)不了，必須是一個通道一個器件，而數(shù)字磁隔離可以將3、4個甚至是6個通道放在一個封裝里。”陳捷指出。事實上，電源隔離也面臨這樣的技術(shù)差異，特別是光沒有辦法傳遞電源能量，而磁隔可以。從技術(shù)本身來講它的應(yīng)用更靈活、集成度更高。
“未來越來越多的應(yīng)用肯定是數(shù)字隔離器的市場份額會進(jìn)一步擴(kuò)大，光耦的市場會有所萎縮。但數(shù)字隔離器也不可能完全取代光耦，因為光耦在低成本、低速率的場合有它的優(yōu)勢。”陳捷坦陳。據(jù)他透露，在1MBPS以下的應(yīng)用，光耦的價格與其通訊速度呈指數(shù)相關(guān)，比如到了1M甚至10MBPS以上，它的價格就比數(shù)字隔離高很多，但在低速時成本非常低。“所以一定有些市場是數(shù)字隔離器不會去碰的，但是未來的發(fā)展趨勢肯定是速度越來越快，所以新的增長點、新的市場數(shù)字隔離器優(yōu)勢越來越明顯。”陳捷表示。
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