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技术创新弥补EMI短板,磁隔离欲鱼与熊掌兼得

时间:2018-09-05 作者:ADI 阅读:
半导体技术一路高歌猛进却似乎总是有几道“魔咒”难以破除,包括电容、电感、光耦和变压器这样的无源器件的集成一直没有明显的突破,特别是尺寸庞大但应用广泛的变压器成了开关电源设计工程师一直以来的噩梦,大尺寸、高功耗、EMI辐射、纹波……各种掣肘如影随形。

半导体技术的进步将电路尺寸不断压缩,曾经用一个大房间才能存放的大型计算机性能今天一台笔记本就可以做到,集成电路的集成度已经达到单芯片数亿晶体管的规模。然而,半导体技术一路高歌猛进却似乎总是有几道“魔咒”难以破除,包括电容、电感、光耦和变压器这样的无源器件的集成一直没有明显的突破,特别是尺寸庞大但应用广泛的变压器成了开关电源设计工程师一直以来的噩梦,大尺寸、高功耗、EMI辐射、纹波……各种掣肘如影随形。

作为高性能模拟技术提供商,ADI一直在尝试突破这些阻碍模拟技术进步的“魔障”,其研发的iCoupler磁隔离技术将传统的变压器用标准半导体制造工艺实现了集成,将传统的采用磁芯的机械式变压器片上化,并且具有高带宽、低电感和高阻抗等优点。ADI公司利用微变压器设计方面的经验,开发出了芯片级DC-DC功率转换器isoPower系列。最近,ADI再次发布isoPower系列新品,将产品的关键性能EMI指标实现“大跃进”,磁隔离在传统性能优势上进一步解决了过去EMI短板,实现鱼与熊掌可以得兼的目标。

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隔离电源EMI辐射示意框图

革命性电源架构第二代克服EMI短板

ADI磁隔离技术历经近20年的发展,最开始的产品是信号隔离。磁隔离的特点就是它含有全能量,基于该技术ADI多年后又推出了内置变压器的芯片级电源隔离产品,跟普通芯片一样在纯净厂房里跟半导体器件一样生产出来,而不是像传统的零散机械元件组装而成。

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第二代技术满足了无线电干扰特性CISPR 22/EN 55022 B类辐射标准

“第一代技术尺寸特别小的特点为大家所欢迎,但缺点也明显——EMI不是很好,辐射比较大。因为芯片级的线圈尺寸很小,所以它的工作频率特别高,数百兆的工作频率把能量传到隔离带时,必然有一些共模的信号或者噪声会辐射出去。” ADI数字隔离器产品部经理陈捷在一场演讲中表示。过去ADI工程师对这些问题也给予了修正的方法,如建议在隔离芯片两端跨接安规电容,用电容给它提供一个基础的反馈路径,或者利用四层PCB的内层要做一个交叠形成电容特性,从而提供一个低阻抗的反馈路径来抑制EMI。

“但很明显,这两种方法或多或少会给客户带来一些麻烦。所以,我们的研发团队一直在努力克服这个问题,我们现在的第二代产品就从芯片本身成功地解决了这个EMI的问题。”陈捷解释道。第二代产品在线圈的设计上做了一些改进,对称性更好,并在频率频谱上增加扩频,将原来频谱工作频率的尖峰峰值扩开。“原来可以看到是一个单点的尖峰,现在用扩频的方式把它展开了,就把能量降下来了。”陈捷指出,新的指标可以轻松达到Class A、Class B的辐射标准。“利用第二代技术不需要做任何跨接电容处理,可以只用两层PCB板,在输出端加两个磁珠和两个电容即可。”陈捷表示。

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100mA时使用2层PCB:准峰值满足CISPR 22 B类标准,915MHz时裕量为-5.1dBμV

陈捷口中的第二代产品是ADI近日宣布推出的其新一代增强隔离式电源转换器ADuM5020/6020和ADuM5028/6028系列,可以使系统满足EN 55022/CISPR 22 B类电磁干扰标准的需求,无需在应用层面使用高成本的EMI抑制技术,并且可简化EMI认证流程,降低设计成本和缩短设计时间。ADI将其隔离产品的“断代”的关键参考指标放在EMI特性上,在十多年前推出第一代隔离电源之后ADI陆续推出了若干系列新品,但因为在EMI方面没有做太多的优化而仍归属第一代产品。随着行业对EMI特性关注度越来越高,ADI投入几十人用了两年时间,完成了从研发到工艺、封装、测试,完整完成新一代低EMI产品研发。

集成化趋势下,通道隔离需求再上台阶

电源隔离集成化趋势已经形成,在新能源汽车、工业控制、仪器仪表和医疗等行业,越来越多的要用到高集成度的通道与通道之间隔离。“比如我们看到有些温度采样的设备,它可能一个板子上8个通道、8个ADC,要给这个ADC做隔离、信号要隔离,还要隔离电源,那用我们这种隔离芯片就特别方便。”陈捷指出,“现在有些高端产品就是要求每个通道之间都要隔离,它不能共用隔离电源。”仪器行业的小型化趋势也正在促进集成隔离电源的需求增加,甚至在一些便携式的医疗设备上也开始对隔离性能提出更高需求。

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简化两层PCB布局的ADuM5020/ADuM5028评估板

“例如医疗这块会有更高隔离等级的标准,ADuM6000系列以及ADuM6020的隔离等级就更高。另外,像汽车应用对辐射的要求也越来越高,所以我们希望能在辐射的能量上进一步的抑制,有更大的裕量。”陈捷表示,“我们还做了一个更小的SO8封装,堪称业界最小的隔离电源解决方案。另外,由于这个技术输出的功率不是很大,尽管现在的500毫瓦已经能满足许多的应用,但将来ADI可能会往更大的输出功率去发展。” 

成功挑战光耦传统市场,磁隔离持续走强

作为最传统的一种隔离方式,光耦在市面上应用已超过50年,目前在很多场合还占领主流应用。ADI第二代隔离电源产品突破EMI的最大掣肘是否能在隔离电源大展拳脚、攻城略地?“隔离应用通常与安全以及产品性能认证直接相关,导致市场对新技术采纳偏向保守,新产品和技术的市场渗透和切换会比别的产品慢,这是这个市场的特点。”陈捷表示。

然而光耦的显著缺点这些年正在为新型隔离技术提供了切入点,尤其是相对于磁隔离最大的一个问题是集成度差。“特别是做多通道隔离时光耦技术单个封装实现不了,必须是一个通道一个器件,而数字磁隔离可以将3、4个甚至是6个通道放在一个封装里。”陈捷指出。事实上,电源隔离也面临这样的技术差异,特别是光没有办法传递电源能量,而磁隔可以。从技术本身来讲它的应用更灵活、集成度更高。

“未来越来越多的应用肯定是数字隔离器的市场份额会进一步扩大,光耦的市场会有所萎缩。但数字隔离器也不可能完全取代光耦,因为光耦在低成本、低速率的场合有它的优势。”陈捷坦陈。据他透露,在1MBPS以下的应用,光耦的价格与其通讯速度呈指数相关,比如到了1M甚至10MBPS以上,它的价格就比数字隔离高很多,但在低速时成本非常低。“所以一定有些市场是数字隔离器不会去碰的,但是未来的发展趋势肯定是速度越来越快,所以新的增长点、新的市场数字隔离器优势越来越明显。”陈捷表示。

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