【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，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。
半導體技術的進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)達到單芯片數(shù)億晶體管的規(guī)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。
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(fā)的iCoupler磁隔離技術將傳統(tǒng)的變壓器用標準半導體制造工藝實現(xiàn)了集成，將傳統(tǒng)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(yōu)點。ADI公司利用微變壓器設計方面的經(jīng)驗，開發(fā)出了芯片級DC-DC功率轉換器isoPower系列。最近，ADI再次發(fā)布isoPower系列新品，將產品的關鍵性能EMI指標實現(xiàn)“大躍進”，磁隔離在傳統(tǒng)性能優(yōu)勢上進一步解決了過去EMI短板，實現(xiàn)魚與熊掌可以得兼的目標。
隔離電源EMI輻射示意框圖
革命性電源架構第二代克服EMI短板
ADI磁隔離技術歷經(jīng)近20年的發(fā)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(tǒng)的零散機械元件組裝而成。
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(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。所以，我們的研發(fā)團隊一直在努力克服這個問題，我們現(xiàn)在的第二代產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，現(xiàn)在用擴頻的方式把它展開了，就把能量降下來了。”陳捷指出，新的指標可以輕松達到Class A、Class B的輻射標準。“利用第二代技術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：準峰值滿足CISPR 22 B類標準，915MHz時裕量為-5.1dBμV
陳捷口中的第二代產品是ADI近日宣布推出的其新一代增強隔離式電源轉換器ADuM5020/6020和ADuM5028/6028系列，可以使系統(tǒng)滿足EN 55022/CISPR 22 B類電磁干擾標準的需求，無需在應用層面使用高成本的EMI抑制技術，并且可簡化EMI認證流程，降低設計成本和縮短設計時間。ADI將其隔離產品的“斷代”的關鍵參考指標放在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品。隨著行業(yè)對EMI特性關注度越來越高，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集成隔離電源的需求增加，甚至在一些便攜式的醫(yī)療設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準，ADuM6000系列以及ADuM6020的隔離等級就更高。另外，像汽車應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
作為最傳統(tǒng)的一種隔離方式，光耦在市面上應用已超過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？“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。”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差異，特別是光沒有辦法傳遞電源能量，而磁隔可以。從技術本身來講它的應用更靈活、集成度更高。
“未來越來越多的應用肯定是數(shù)字隔離器的市場份額會進一步擴大，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以下的應用，光耦的價格與其通訊速度呈指數(shù)相關，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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