提供全面的電容隔離器產(chǎn)品，MPS把握大功率市場(chǎng)先機(jī)
隨著雙碳計(jì)劃的推進(jìn)，在光伏、風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車(chē)、儲(chǔ)能等行業(yè)蓬勃發(fā)展，而這些行業(yè)的發(fā)展都離不開(kāi)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(lèi)隔離技術(shù)會(huì)有更好的應(yīng)用表現(xiàn)？隔離這一器件應(yīng)用的市場(chǎng)趨勢(shì)如何？針對(duì)一系列的問(wèn)題，MPS專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了MPS隔離電源產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，MPS DCDC產(chǎn)品線(xiàn)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理殷亮進(jìn)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(hù)人體和低壓設(shè)備的作用；第二是可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)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(duì)隔離技術(shù)，業(yè)內(nèi)也有不同的技術(shù)分類(lèi)。其中主要包括光耦隔離、磁隔離和電容隔離三大類(lèi)。其中光耦隔離技術(shù)是通過(guò)發(fā)光二級(jí)光和光敏晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到隔離的效果。這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于器件壽命較短，隨著光敏器件工作時(shí)間增加，LED發(fā)光亮度會(huì)逐漸降低，最終無(wú)法穿透隔離介質(zhì)，也就無(wú)法進(jìn)行所謂的信號(hào)或者驅(qū)動(dòng)能力的傳輸。另外光耦隔離所需的供電電流也是相對(duì)偏大（mA級(jí)）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(diǎn)事因?yàn)殡?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(dá)到了百納秒級(jí)。另外光電隔離器件對(duì)外部的共模干擾非常敏感，通常是低于20kV/us。
因?yàn)楣怆姼綦x器件有著諸多的不足之處，所以后來(lái)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?yàn)槭腔诠璧募夹g(shù)，所以本身也可以跟進(jìn)硅晶圓開(kāi)發(fā)的路線(xiàn)，減少了上述光電隔離器件的功耗、傳輸速率和延遲的缺點(diǎn)。據(jù)殷亮介紹，傳輸速率兩者都能夠達(dá)到100Mbps以上。對(duì)外部的共?？垢蓴_也是極好的，會(huì)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(duì)外部會(huì)有比較強(qiáng)的放射，就像我們通常的變壓器一樣，對(duì)外部有EMI的干擾。因?yàn)樗旧硎谴艌?chǎng)的傳輸，所以對(duì)磁抗擾度也比較低。相對(duì)來(lái)說(shuō)，因?yàn)楦邏弘娙莞綦x是基于高頻信號(hào)耦合到載波信號(hào)然后傳遞過(guò)結(jié)緣介質(zhì)的傳輸機(jī)制。所以它的EMI的特性會(huì)比較好，另外它是不通過(guò)磁場(chǎng)的這種傳輸方式，所以它的噪聲干擾度會(huì)比較好一些?；卺槍?duì)這三種技術(shù)的考量，MPS選擇了電容隔離技術(shù)這一路線(xiàn)來(lái)進(jìn)行自己的隔離產(chǎn)品的布局。
針對(duì)具體的行業(yè)應(yīng)用，隔離器件可以分為幾個(gè)不同的類(lèi)型。按照MPS的隔離產(chǎn)品布局，其中包括隔離柵極驅(qū)動(dòng)器、變壓器驅(qū)動(dòng)器、隔離電源模塊、數(shù)字隔離器和隔離放大器這幾類(lèi)。接下來(lái)我們逐一進(jìn)行介紹。
隔離柵極驅(qū)動(dòng)器：MP(Q)18831/51/71
隔離柵極驅(qū)動(dòng)器通常是作為普通硅MOS、IGBT或碳化硅的外部驅(qū)動(dòng)。如下圖所示是一個(gè)比較常見(jiàn)的AC/DC變換拓?fù)?，通常分為PLC、LLC和同步整流三級(jí)。副邊側(cè)的數(shù)字控制器需要跨隔離和變壓器去對(duì)原邊一側(cè)的MOSFET、SiC或GaN等開(kāi)關(guān)管。這時(shí)候需要在隔離信號(hào)上加一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，傳統(tǒng)的方法是先對(duì)信號(hào)做隔離，然后再做驅(qū)動(dòng)級(jí)，最后做一個(gè)電平轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在這三個(gè)功能全部都集成到了隔離柵極驅(qū)動(dòng)器上，一步就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離、驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換的功能。
因?yàn)轵?qū)動(dòng)的管子不同，所以具體的控制要求也不相同，包括開(kāi)關(guān)頻率、軌電壓、功率范圍，驅(qū)動(dòng)電壓、欠壓鎖定的要求都是不一樣的。針對(duì)這些需求，MPS開(kāi)發(fā)的型號(hào)是MP(Q)18831/51/71。31是雙輸入半橋型拓?fù)洌?1是一個(gè)獨(dú)立的雙通路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，71是針對(duì)半橋應(yīng)用。這三種不同型號(hào)的產(chǎn)品用來(lái)覆蓋客戶(hù)所需的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。據(jù)殷亮介紹，該系列器件原副邊的耐壓等級(jí)達(dá)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(duì)不同類(lèi)型的管子，會(huì)有不同的欠壓鎖定的選型，方便客戶(hù)使用同一類(lèi)的產(chǎn)品來(lái)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(dá)到30V，比市面上主流的產(chǎn)品24V-25V高出約5V，這個(gè)裕量能夠極大地減小副邊側(cè)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)中點(diǎn)被拉負(fù)而導(dǎo)致?lián)舸┑娘L(fēng)險(xiǎn)。
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(hào)，原副邊中間會(huì)有若干路的信號(hào)傳輸，原副邊兩側(cè)都會(huì)有相應(yīng)的供電。據(jù)殷亮介紹，原邊側(cè)的一個(gè)數(shù)字信號(hào)通過(guò)濾波以后，會(huì)有一個(gè)高頻的載波信號(hào)，耦合到載波信號(hào)以后，會(huì)傳遞過(guò)高壓電容的隔離介質(zhì)，傳遞到副邊側(cè)以后進(jìn)行解調(diào)的工作，再把它還原成邏輯信號(hào)。這種變壓器。
MPS針對(duì)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(hào)，能夠傳遞高達(dá)150Mbps每秒數(shù)據(jù)傳輸率，適配各種不同的總線(xiàn)要求和IO信號(hào)傳輸需求。共?？垢蓴_能力能夠達(dá)到100kV/μs以上，最大能夠到達(dá)5kVrms隔離耐壓。
針對(duì)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(hù)在設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要一個(gè)單獨(dú)的隔離供電給到其它的IO口，例如一些總線(xiàn)協(xié)議等；收發(fā)器里面可能需要單獨(dú)的5V轉(zhuǎn)5V的電源轉(zhuǎn)換。在這種客戶(hù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)理念是IC封裝形式，把包括變壓器在內(nèi)的整個(gè)電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)集成在IC封裝里。相較傳統(tǒng)灌膠式模塊實(shí)現(xiàn)了更薄的設(shè)計(jì)，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(jì)應(yīng)用。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高集成度，進(jìn)一步縮減電源設(shè)計(jì)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(gè)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(hù)也非常欣賞這種架構(gòu)，因?yàn)榭梢詭椭鋵?shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)化度較高的設(shè)計(jì)，而無(wú)需負(fù)擔(dān)額外單獨(dú)的變壓器帶來(lái)的開(kāi)發(fā)周期和成本。
變壓器驅(qū)動(dòng)和模塊：MPQ18913-AEC
變壓器驅(qū)動(dòng)器主要是通過(guò)變壓器造一個(gè)輔助的供電系統(tǒng)，將原邊側(cè)的輸入電壓進(jìn)行隔離，驅(qū)動(dòng)副邊側(cè)進(jìn)行供電應(yīng)用，副邊級(jí)也需要單獨(dú)的一路供電設(shè)計(jì)。隨著大功率系統(tǒng)這樣的市場(chǎng)趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率要求越來(lái)越高，會(huì)有更高的dv/dt（斜坡爬升和下降速率）。這時(shí)候就需要講反激拓?fù)鋬?yōu)化成LLC的拓?fù)?。如下圖所示的驅(qū)動(dòng)電路中 ，采用的是LLC拓?fù)涞男问健?
針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用MPS開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品型號(hào)為MPQ18913，這是一個(gè)能夠適配5V～30V輸入電壓的半橋式LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器。它的優(yōu)勢(shì)在于拓?fù)渖宪涢_(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)極大地減少了變壓器的體積。另外，因?yàn)槠淠軌蜻M(jìn)行外部時(shí)鐘同步，或者使用可選自動(dòng)識(shí)別諧振頻率功能，能夠方便客戶(hù)做不同的板級(jí)設(shè)計(jì)，能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)一個(gè)6W左右的供電給到不同要求的驅(qū)動(dòng)器。
同樣的，針對(duì)這款產(chǎn)品MPS也開(kāi)發(fā)了MIDxW2424這樣的模塊化的產(chǎn)品，將所有的拓?fù)浞庋b到一個(gè)Package里面，從而幫助需要精簡(jiǎn)化板級(jí)設(shè)計(jì)的客戶(hù)。
除了以上的芯片級(jí)、模塊級(jí)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(lèi)型的優(yōu)勢(shì)隔離和電源產(chǎn)品，整體設(shè)計(jì)的功率密度達(dá)到了241W/cm3，方便客戶(hù)在選型階段進(jìn)行器件評(píng)估，也可以參考這個(gè)高功率的設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)自己所需的供電方案。
總的來(lái)看，MPS提供了具有競(jìng)爭(zhēng)力的全套電容隔離產(chǎn)品，隨著當(dāng)前大功率市場(chǎng)的發(fā)展，MPS的產(chǎn)品相信也會(huì)為客戶(hù)的應(yīng)用提供更好的表現(xiàn)。
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