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[導讀]半導體技術一路高歌猛進卻似乎總是有幾道“魔咒”難以破除,大尺寸、高功耗、EMI輻射、紋波……各種掣肘如影隨形。

61浙江体育彩票走势图 www.ltkihs.com.cn 半導體技術的進步將電路尺寸不斷壓縮,曾經用一個大房間才能存放的大型計算機性能今天一臺筆記本就可以做到,集成電路的集成度已經達到單芯片數億晶體管的規模。然而,半導體技術一路高歌猛進卻似乎總是有幾道“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用廣泛的變壓器成了開關電源設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。

傳統電源隔離中的EMI困惑

例如常見有這樣一個場景:新項目已獲批準,需要升級先前的設計,以達到更高的性能指標并具有更多功能。這時,研發團隊成員可能立即滿血復活準備投入工作,然而項目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,管理的復雜性日益增加。滿足越來越嚴苛的電源電磁兼容性 (EMC) 要求是這些項目管理挑戰之一。越來越多的新興應用和市場需要符合眾多EMC規范,而且標準也隨更嚴格的性能限制而不斷提高。

盡管現有的分立式電源解決方案(如隔離反激式轉換器)具有BOM成本低等優點,但也存在一些缺點。典型的反激式設計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反饋網絡。而其中誤差放大器需要開發補償網絡以穩定電壓回路,并且它的性能還取決于光耦合器性能的一致性。分立式方法的另一個問題在于能否滿足安全標準。安全機構對分立式設計的審查越發嚴密,因此針對分立式系統設計獲得必要的認證通常需要進行多次設計迭代。

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典型隔離式反激DC/DC轉換器。

光電耦合器常常被視為廉價隔離器而用于電源,但其電流傳輸比 (CTR) 變化限制了電壓反饋性能和有效工作溫度范圍。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后下降高達50%(例如在高功率、高密度電源中的光耦合器)。從成本的角度來看,反激式分立器件方法似乎更好,但需要權衡工程量和技術風險。

特別需要指出的是,上面這種系統中的隔離也增加了電源設計的復雜性。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范圍、最大負載電流、噪聲和紋波、瞬態性能、啟動特性等。就其本質而言,隔離屏障無法同時輕松監控輸入和輸出條件,這使得性能指標的實現更加困難。分割的接地還會形成偶極天線產生有害的EMI輻射能量。

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隔離電源EMI輻射示意框圖。

突破電源架構局限,第二代isoPower隔離與EMC并重

作為高性能模擬技術提供商,ADI一直在嘗試突破這些阻礙模擬技術進步的“魔障”,其研發的iCoupler磁隔離技術將傳統的變壓器用標準半導體制造工藝實現了集成,將傳統的采用磁芯的機械式變壓器片上化,并且具有高帶寬、低電感和高阻抗等優點。ADI公司利用微變壓器設計方面的經驗,開發出了芯片級DC-DC功率轉換器isoPower系列。在ADI再次發布的isoPower系列新品中將產品的關鍵的EMI指標實現“大躍進”,磁隔離在傳統性能優勢進一步與EMC能力捆綁。

ADI磁隔離技術歷經近20年的發展,最開始的產品是信號隔離。磁隔離的特點就是它含有全能量,基于該技術ADI多年后又推出了內置變壓器的芯片級電源隔離產品,跟普通芯片一樣在純凈廠房里跟半導體器件一樣生產出來,而不是像傳統的零散機械元件組裝而成。

 

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第二代技術滿足了無線電干擾特性CISPR 22/EN 55022 B類輻射標準

第一代技術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。過去ADI工程師對這些問題也給予了對應的修正方法,如建議在隔離芯片兩端跨接安規電容,用電容給它提供一個基礎的反饋路徑,或者利用四層PCB的內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,ADI第二代產品就從芯片本身成功地解決EMI問題。第二代產品在線圈的設計上做了一些改進,對稱性更好,并在頻率頻譜上增加擴頻,將原來頻譜工作頻率的尖峰峰值擴開。原來可以看到是一個單點的尖峰,ADI研發團隊通過擴頻的方式把它展開,從而將尖峰把能量降下來,從而新的指標可以達到Class A、Class B的輻射標準,而且不需要做任何跨接電容的條件下用兩層PCB板,在輸出端僅需加兩個磁珠和兩個電容即可。

 

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100mA時使用2層PCB:準峰值滿足CISPR 22 B類標準,915MHz時裕量為-5.1dBμV

隨著行業對EMI特性關注度越來越高,在十多年前推出第一代隔離電源之后,ADI投入幾十個人的人力用了兩年時間,從研發到工藝、封裝、測試,完整完成新一代低EMI產品研發。第二代增強隔離式電源轉換器包括ADuM5020/6020和ADuM5028/6028系列,ADI將其隔離產品的“換代”的關鍵參考指標放在EMI特性上。

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簡化兩層PCB布局的ADuM5020/ADuM5028評估板

挑戰光耦傳統市場,磁隔離持續走強

作為最傳統的一種隔離方式,光耦在市面上應用超過50年,目前在很多場合還占領主流應用。ADI第二代隔離電源產品突破EMI的最大掣肘是否能在隔離電源大展拳腳攻城略地?然而,隔離應用通常與安全以及產品性能認證直接相關,導致市場對新技術采納偏向保守,新產品和技術的市場滲透和切換會比別的產品慢,這是這個市場的特點。

但光耦的顯著缺點這些年正在為新型隔離技術提供了切入點,特別是高性能市場相對于磁隔離集成度差的弱勢被市場放大。特別是做多通道隔離時光耦技術單個封裝實現不了,必須是一個通道一個器件,而數字磁隔離可以做3個通道、4個通道甚至到6個通道放在一個封裝里。盡管如此,磁隔離遠未達到完全取代光耦的地步,光耦在低成本、低速率的場合有其固有的優勢。然而,高速連接已經是當前及未來的發展趨勢,新的市場數字隔離器正在持續走強。

 

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