隨著雙碳計劃的推進，在光伏、風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、儲能等行業(yè)蓬勃發(fā)展，而這些行業(yè)的發(fā)展都離不開大功率電源方案。在這種大功率隔離電源方案中，隔離電源器件起到了至關(guān)重要的作用。隔離器件分為哪幾種？哪一類隔離技術(shù)會有更好的應(yīng)用表現(xiàn)？隔離這一器件應(yīng)用的市場趨勢如何？針對一系列的問題，MPS專門召開了MPS隔離電源產(chǎn)品發(fā)布會，MPS DCDC產(chǎn)品線業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理殷亮進行了精彩的分享。
在很多高壓的應(yīng)用中，采用隔離技術(shù)是十分必要的。第一是可以起到保護人體和低壓設(shè)備的作用；第二是可以實現(xiàn)模擬信號地和功率地連接隔離，提高器件的連接質(zhì)量，起到降低噪聲抗干擾的作用；第三是起到電平轉(zhuǎn)換的作用，一次性完成隔離和電平轉(zhuǎn)換的雙重作用。
針對隔離技術(shù)，業(yè)內(nèi)也有不同的技術(shù)分類。其中主要包括光耦隔離、磁隔離和電容隔離三大類。其中光耦隔離技術(shù)是通過發(fā)光二級光和光敏晶體管來實現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而達到隔離的效果。這種技術(shù)的缺點在于器件壽命較短，隨著光敏器件工作時間增加，LED發(fā)光亮度會逐漸降低，最終無法穿透隔離介質(zhì)，也就無法進行所謂的信號或者驅(qū)動能力的傳輸。另外光耦隔離所需的供電電流也是相對偏大（mA級）的。第三是受到光電器件的體積影響，所以整體隔離器件的封裝體積也較大。第四點事因為電-光-電屬于雙重轉(zhuǎn)換，所以數(shù)據(jù)傳輸速率通常為10Mbps，傳輸延遲也較高達到了百納秒級。另外光電隔離器件對外部的共模干擾非常敏感，通常是低于20kV/us。
因為光電隔離器件有著諸多的不足之處，所以后來行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了兩種基于硅的隔離技術(shù)：分別是磁隔離和電容隔離。因為是基于硅的技術(shù)，所以本身也可以跟進硅晶圓開發(fā)的路線，減少了上述光電隔離器件的功耗、傳輸速率和延遲的缺點。據(jù)殷亮介紹，傳輸速率兩者都能夠達到100Mbps以上。對外部的共模抗干擾也是極好的，會有大于100kV/us 的共?？垢蓴_能力，傳輸延遲也是只有光耦隔離器件的10分之一左右，通常是在50ns左右。
這兩種隔離技術(shù)雖然都是基于硅的，但本身的原理上并不相同。據(jù)殷亮介紹，磁隔離是基于微型變壓器，對外部會有比較強的放射，就像我們通常的變壓器一樣，對外部有EMI的干擾。因為它本身是磁場的傳輸，所以對磁抗擾度也比較低。相對來說，因為高壓電容隔離是基于高頻信號耦合到載波信號然后傳遞過結(jié)緣介質(zhì)的傳輸機制。所以它的EMI的特性會比較好，另外它是不通過磁場的這種傳輸方式，所以它的噪聲干擾度會比較好一些。基于針對這三種技術(shù)的考量，MPS選擇了電容隔離技術(shù)這一路線來進行自己的隔離產(chǎn)品的布局。
針對具體的行業(yè)應(yīng)用，隔離器件可以分為幾個不同的類型。按照MPS的隔離產(chǎn)品布局，其中包括隔離柵極驅(qū)動器、變壓器驅(qū)動器、隔離電源模塊、數(shù)字隔離器和隔離放大器這幾類。接下來我們逐一進行介紹。
隔離柵極驅(qū)動器：MP(Q)18831/51/71
隔離柵極驅(qū)動器通常是作為普通硅MOS、IGBT或碳化硅的外部驅(qū)動。如下圖所示是一個比較常見的AC/DC變換拓撲，通常分為PLC、LLC和同步整流三級。副邊側(cè)的數(shù)字控制器需要跨隔離和變壓器去對原邊一側(cè)的MOSFET、SiC或GaN等開關(guān)管。這時候需要在隔離信號上加一個驅(qū)動信號，傳統(tǒng)的方法是先對信號做隔離，然后再做驅(qū)動級，最后做一個電平轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在這三個功能全部都集成到了隔離柵極驅(qū)動器上，一步就可以實現(xiàn)信號隔離、驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換的功能。
因為驅(qū)動的管子不同，所以具體的控制要求也不相同，包括開關(guān)頻率、軌電壓、功率范圍，驅(qū)動電壓、欠壓鎖定的要求都是不一樣的。針對這些需求，MPS開發(fā)的型號是MP(Q)18831/51/71。31是雙輸入半橋型拓撲，51是一個獨立的雙通路拓撲結(jié)構(gòu)，71是針對半橋應(yīng)用。這三種不同型號的產(chǎn)品用來覆蓋客戶所需的不同拓撲結(jié)構(gòu)。據(jù)殷亮介紹，該系列器件原副邊的耐壓等級達到了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的5kV以上水平，能夠極大地增加系統(tǒng)安全性；CMTI、共?？垢蓴_能力是100kV/μs以上；針對不同類型的管子，會有不同的欠壓鎖定的選型，方便客戶使用同一類的產(chǎn)品來適配不同的半導(dǎo)體器件。另外該產(chǎn)品副邊側(cè)的供電電壓能夠達到30V，比市面上主流的產(chǎn)品24V-25V高出約5V，這個裕量能夠極大地減小副邊側(cè)因為開關(guān)中點被拉負而導(dǎo)致?lián)舸┑娘L(fēng)險。
數(shù)字隔離器和模塊：MP(Q)276xx、MIDxxW0505、MP(Q)278xx
數(shù)字隔離器傳遞的是數(shù)字信號，原副邊中間會有若干路的信號傳輸，原副邊兩側(cè)都會有相應(yīng)的供電。據(jù)殷亮介紹，原邊側(cè)的一個數(shù)字信號通過濾波以后，會有一個高頻的載波信號，耦合到載波信號以后，會傳遞過高壓電容的隔離介質(zhì)，傳遞到副邊側(cè)以后進行解調(diào)的工作，再把它還原成邏輯信號。這種變壓器。
MPS針對數(shù)字隔離器推出的新產(chǎn)品是MP(Q)276系列，這是一款2～6通道的數(shù)字隔離器產(chǎn)品。供電范圍可以兼容3.3V或5V兩種不同的邏輯電平信號，能夠傳遞高達150Mbps每秒數(shù)據(jù)傳輸率，適配各種不同的總線要求和IO信號傳輸需求。共模抗干擾能力能夠達到100kV/μs以上，最大能夠到達5kVrms隔離耐壓。
針對這一產(chǎn)品，MPS還搭配了隔離電源模塊MIDxxW0505系列。據(jù)悉，某些客戶在設(shè)計當中，需要一個單獨的隔離供電給到其它的IO口，例如一些總線協(xié)議等；收發(fā)器里面可能需要單獨的5V轉(zhuǎn)5V的電源轉(zhuǎn)換。在這種客戶的應(yīng)用設(shè)計需求上，MIDxxW0505隔離電源模塊就非常契合。
雖然是模塊，但該產(chǎn)品采用的開發(fā)理念是IC封裝形式，把包括變壓器在內(nèi)的整個電源轉(zhuǎn)換設(shè)計集成在IC封裝里。相較傳統(tǒng)灌膠式模塊實現(xiàn)了更薄的設(shè)計，厚度僅為2mm左右，而且可靠性表現(xiàn)更好，非常適合貼片式的緊湊設(shè)計應(yīng)用。
為了進一步實現(xiàn)更高集成度，進一步縮減電源設(shè)計的面積。MPS還提供了集成度更高的整合型數(shù)字隔離器產(chǎn)品MP(Q)278系列，這是MP(Q)276和MIDxxW0505以及外圍電路的一個高度集成的方案。殷亮表示MP(Q)278系列的參數(shù)與MP(Q)276保持一致，客戶也非常欣賞這種架構(gòu)，因為可以幫助其實現(xiàn)一個簡化度較高的設(shè)計，而無需負擔(dān)額外單獨的變壓器帶來的開發(fā)周期和成本。
變壓器驅(qū)動和模塊：MPQ18913-AEC
變壓器驅(qū)動器主要是通過變壓器造一個輔助的供電系統(tǒng)，將原邊側(cè)的輸入電壓進行隔離，驅(qū)動副邊側(cè)進行供電應(yīng)用，副邊級也需要單獨的一路供電設(shè)計。隨著大功率系統(tǒng)這樣的市場趨勢發(fā)展，對開關(guān)頻率要求越來越高，會有更高的dv/dt（斜坡爬升和下降速率）。這時候就需要講反激拓撲優(yōu)化成LLC的拓撲。如下圖所示的驅(qū)動電路中 ，采用的是LLC拓撲的形式。
針對這類應(yīng)用MPS開發(fā)的產(chǎn)品型號為MPQ18913，這是一個能夠適配5V～30V輸入電壓的半橋式LLC拓撲結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器。它的優(yōu)勢在于拓撲上軟開關(guān)的實現(xiàn)極大地減少了變壓器的體積。另外，因為其能夠進行外部時鐘同步，或者使用可選自動識別諧振頻率功能，能夠方便客戶做不同的板級設(shè)計，能夠單獨實現(xiàn)一個6W左右的供電給到不同要求的驅(qū)動器。
同樣的，針對這款產(chǎn)品MPS也開發(fā)了MIDxW2424這樣的模塊化的產(chǎn)品，將所有的拓撲封裝到一個Package里面，從而幫助需要精簡化板級設(shè)計的客戶。
除了以上的芯片級、模塊級的隔離產(chǎn)品外，MPS還提供了“大功率解決方案的演示板”，上面搭載了MPS諸多不同類型的優(yōu)勢隔離和電源產(chǎn)品，整體設(shè)計的功率密度達到了241W/cm3，方便客戶在選型階段進行器件評估，也可以參考這個高功率的設(shè)計來設(shè)計自己所需的供電方案。
總的來看，MPS提供了具有競爭力的全套電容隔離產(chǎn)品，隨著當前大功率市場的發(fā)展，MPS的產(chǎn)品相信也會為客戶的應(yīng)用提供更好的表現(xiàn)。
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