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大幅提升电源隔离系统功率密度,应对新一代汽车和工业系统隔离挑战

[导读]为了更安全高效地对高压环境进行控制,隔离器就显得尤为重要。从日常的手机充电器、到楼宇自动化、医疗和智能工业等应用中均存在隔离器的影子。随着新一代工业系统和汽车系统的发展,业内对于隔离器有了更高的要求。为了满足这一需求,TI于近日推出了一系列的隔离器新品,通过业内超小尺寸、超高工作电压、超高精度、超高集成度等特色应对新一代隔离挑战。

为了更安全高效地对高压环境进行控制,隔离器就显得尤为重要。从日常的手机充电器、到楼宇自动化、医疗和智能工业等应用中均存在隔离器的影子。随着新一代工业系统和汽车系统的发展,业内对于隔离器有了更高的要求。为了满足这一需求,TI于近日推出了一系列的隔离器新品,通过业内超小尺寸、超高工作电压、超高精度、超高集成度等特色应对新一代隔离挑战。

新一代数字隔离技术

最传统的隔离器技术来自继电器,而后随着光耦的出现,光电隔离器开始实现了市场接管并且持续了50年之久。但光耦隔离也有着速度慢、信号耦合等问题,在新一代的工业和汽车系统中,随着新一代半导体器件的应用,光耦隔离器较难满足高端客户的需求。

数字隔离器有着体积小、速度快和集成度高等优势,目前主要是电容隔离和电磁隔离两类。数字隔离器厂商都在布局光耦隔离的替代市场,同时瞄准新兴的EV、太阳能等市场需求。随着市场的蓬勃发展,半导体规模效应开始显现,光耦隔离器在价格成本方面的优势相比数字隔离器正在变得越来越小。

TI在2006年开发出了业界首款SiO2电容隔离器,并且一直在该领域持续钻研,目前隔离器已经成为了TI模拟信号链下的一条重要产品线。通过将分立式功能或机械功能转换为通过半导体技术实现的功能,隔离器解决方案的可靠性大幅提高、尺寸大幅缩减、并可在工作温度范围内运行更多开关周期,成为许多应用中真正的关键赋能因素。

据德州仪器(TI) 电源开关、接口和照明部门副总裁兼总经理Troy Coleman介绍,在电动汽车中当前偏置方案是采用集中式偏置点电源,例如一个车上可能又六个栅极驱动器和牵引逆变器有关,它们都采用同一个偏置电源供电。传统方式是集中供电,使用一个10W 偏置电源在汽车中为牵引逆变器的各个分支配电。它又大又重,而且存在可靠性问题。TI的隔离解决方案是通过使用小型芯片为每个牵引逆变器分支分配一个本地偏置电源,在保证运行功率的前提下,将偏置电源整体尺寸缩减了80%,并且提供了更低的EMI和可靠性。

全新超小型隔离产品:固态隔离器、隔离式比较器和隔离直流电源

为了帮助业界以更好、更经济的方案是应对隔离挑战,近期TI又推出了的隔离器产品系列,其中包含固态隔离器、隔离式比较器和隔离直流电源产品。

TPSI3050-Q1 和TPSI2140-Q1 固态继电器

全新推出的固态隔离器在单一芯片封装内实现了电源和信号传输的集成,从而为客户的系统解决方案提供了更简洁、高可靠性和小尺寸的优势。

利用独特的方法,全新固态继电器系列可在一个芯片上穿过单一隔离栅传输功率和信号。通过高度集成,可在传统设计中至少取消三个组件,与竞争解决方案相比,解决方案尺寸至多可减少90%,成本最多可减少50%。

AMC23C12 隔离式比较器

AMC23C12是业内首款增强型隔离式比较器,可实现隔离式双向过流、过压和过热检测。该器件结合了标准比较器和稳健的电隔离屏障,可缩小解决方案尺寸和降低成本。

通过集成一个宽输入范围低压降稳压器、一个窗口比较器和一个精密电压基准,将传统解决方案尺寸缩小了50%。在最恶劣情况下AMC23C12的跳变阈值精度仍低于3%,有助于工程师减少设计裕度,支持更小尺寸的无源器件。小于400ns的响应时间,提供超快过流和过压检测,从而实现更好的系统保护。该芯片可以通过单个外部电阻器调整跳变阈值,从而提高其在不同设计中的复用性。

UCC12050 和UCC14240-Q1 隔离式直流/直流电源

UCC12050是首款首款使用TI 的集成变压器技术开发的器件,发布于2020年。UCC14240-Q1是业内尺寸超小且精度超高的1.5W 隔离式直流/直流偏置电源模块,发布于2021年。

专有的集成变压器技术于2020年首次推出,缩小了隔离式电源传输,使其可纳入IC尺寸的封装中,实现了高密度隔离式直流/直流电源转换,同时可保持低EMI和高可靠性。

该集成变压器采用TI专有技术优势,具备极低的初级到次级电容,工程师可以大幅提高系统的功率密度,将现有解决方案体积减少80%。在闭环控制在-40°C至150°C范围内可实现双输出,精度高达±1.0%。8mm爬电距离和间隙的增强型隔离可用于防范接地电势差,并保持稳健性。

结语

此次TI推出的一系列隔离新品,大幅缩减了系统整体的尺寸,实现了系统功率密度的大幅提升。而且采用了TI专有的生产工艺而来的SiO2隔离器,在EMI、精度、可靠性和开关速度上也具备优势。对于新一代的工业和汽车应用而言,隔离器的技术升级将会是其中重要的一环。

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