避免隔離設(shè)計(jì)的隱藏成本——如何利用新一代解決方案管理項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)

電子產(chǎn)品不斷增加

不可否認(rèn)，電氣系統(tǒng)變得更小、更輕，汽車電氣化就是一個(gè)最好的例子。專業(yè)服務(wù)公司普華永道(PwC)預(yù)計(jì)，到2024年，混合動(dòng)力汽車和全電動(dòng)汽車將占全球銷量的40%。隨著汽車電氣化程度的提高，越來越多的電氣組件和系統(tǒng)需要隔離。例如，配備400 V直流電池組的電動(dòng)汽車正變得越來越普遍，這帶來明顯的安全隱患。

更多電子產(chǎn)品需要更多隔離

新一代隔離解決方案面臨的挑戰(zhàn)無論是數(shù)量還是類型都在不斷增加。這些系統(tǒng)，尤其是對(duì)于隔離設(shè)計(jì)而言，涉及復(fù)雜的架構(gòu)和流程，會(huì)限制敏捷性和靈活性，同時(shí)也給變革帶來阻礙。競(jìng)爭(zhēng)與全球化步伐加速迫使企業(yè)更加關(guān)注上市時(shí)間(TTM)和投資回報(bào)(ROI)。這意味著開發(fā)團(tuán)隊(duì)必須在更短的時(shí)間內(nèi)完美地執(zhí)行計(jì)劃。隨著對(duì)設(shè)計(jì)和開發(fā)資源越來越嚴(yán)密地審查和更多的需求，所有關(guān)鍵設(shè)計(jì)領(lǐng)域尚缺乏大量的經(jīng)驗(yàn)。需要保持最少迭代次數(shù)才能夠達(dá)到投資回報(bào)目標(biāo)，但與此同時(shí)，來自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的壓力又會(huì)快速無情地推高性能目標(biāo)，這樣才能使產(chǎn)品與眾不同。新監(jiān)管機(jī)構(gòu)和更嚴(yán)格的法規(guī)又需要額外增加一層應(yīng)用測(cè)試和認(rèn)證。需求陡增，風(fēng)險(xiǎn)極高。

了解隔離設(shè)計(jì)

雖然隔離是隔離設(shè)計(jì)的重要組成部分，但它并不是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)部分。

從確定所需的隔離級(jí)別到提供隔離電源以輔助隔離數(shù)據(jù)路徑，再到使解決方案適合可用空間——需要評(píng)估許多設(shè)計(jì)權(quán)衡因素。然而，每個(gè)新項(xiàng)目都有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求。多種因素(包括技術(shù)難度、與先前設(shè)計(jì)的相似性、時(shí)間安排和資源配置)共同決定了有多少設(shè)計(jì)可以重復(fù)利用和需要多少全新設(shè)計(jì)選項(xiàng)。通過極少的更改，重復(fù)利用先前的設(shè)計(jì)或架構(gòu)方法通常可以降低風(fēng)險(xiǎn)并加快執(zhí)行速度。但是，新功能或性能水平 的提高往往決定了需要研究新方法。將稀缺的開發(fā)資源用于評(píng)估新技術(shù)和改良技術(shù)，提高設(shè)計(jì)的技術(shù)價(jià)值，這一點(diǎn)也很重要。

傳統(tǒng)方法的局限性

集成隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，提供了一個(gè)緊湊、易用的解決方案，并具有文檔化的安全認(rèn)證，使得上述諸多考慮因素更容易得到解決。假設(shè)有這樣一個(gè)場(chǎng)景，新項(xiàng)目已獲批準(zhǔn)，需要升級(jí)先前的設(shè)計(jì)，以達(dá)到更高的性能指標(biāo)并具有更多功能。團(tuán)隊(duì)成員立即充滿活力，準(zhǔn)備投入工作。然而，項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人不得不為所有可能出錯(cuò)的因素而擔(dān)憂，而且在更緊張的預(yù)算和進(jìn)度限制下，管理的復(fù)雜性日益增加。

滿足越來越嚴(yán)苛的電磁兼容性(EMC)要求是這些項(xiàng)目管理挑戰(zhàn)之一。越來越多的新興應(yīng)用和市場(chǎng)需要符合眾多EMC規(guī)范，而且標(biāo)準(zhǔn)也隨更嚴(yán)格的性能限制而不斷提高。

現(xiàn)有的分立式解決方案(如隔離反激式轉(zhuǎn)換器)具有物料清單(BOM)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。典型的反激式設(shè)計(jì)(圖1)包含驅(qū)動(dòng)隔離變壓器的控制器、次級(jí)整流和濾波以及光隔離反饋網(wǎng)絡(luò)。誤差放大器需要開發(fā)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)工程以穩(wěn)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。光電耦合器常常被視為廉價(jià)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。CTR參數(shù)定義為輸出晶體管電流與輸入LED電流之比，并且它是非線性的，具有明顯的個(gè)體差異。光耦合器的初始CTR通常具有2比1的不確定性，在高溫環(huán)境中使用多年后下降高達(dá)50%(例如在高功率、高密度電源中的光耦合器)。對(duì)于項(xiàng)目經(jīng)理而言，從成本的角度來看，反激式分離器件方法似乎更好，但需要權(quán)衡工程量和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1.典型隔離式反激DC/DC轉(zhuǎn)換器

分立式方法的另一個(gè)問題在于能否滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。安全機(jī)構(gòu)對(duì)分立式設(shè)計(jì)的審查越發(fā)嚴(yán)密，因此針對(duì)分立式系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得必要的認(rèn)證通常需要進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代。

系統(tǒng)中的隔離也增加了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。典型的非隔離設(shè)計(jì)具有常見的約束條件，如輸入電壓和輸出電壓范圍、最大負(fù)載電流、噪聲和紋波、瞬態(tài)性能、啟動(dòng)特性等。就其本質(zhì)而言，隔離屏障無法同時(shí)輕松監(jiān)控輸入和輸出條件，這使得性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)更加困難。分割的接地域還會(huì)形成偶極天線，并且穿過勢(shì)壘的任何共模電流將激勵(lì)偶極子并產(chǎn)生無用的輻射能量。

通過測(cè)試

為使分立式電源設(shè)計(jì)通過EMC認(rèn)證，可能需要進(jìn)行幾次迭代才能正確完成。EMC測(cè)試耗時(shí)且昂貴，團(tuán)隊(duì)需要在外部EMC合規(guī)性機(jī)構(gòu)花費(fèi)數(shù)小時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)備并監(jiān)控測(cè)試。一旦問題發(fā)生時(shí)，又要回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行故障排除和更改。然后必須對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面地重新表征，以確保標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)不會(huì)因修改而受到影響。接下來，再回到EMC機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新測(cè)試。

最后階段是獲得必要的安全認(rèn)證。這是另一個(gè)漫長(zhǎng)而昂貴的過程，由外部安全機(jī)構(gòu)執(zhí)行。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須準(zhǔn)備大量文件，并交由機(jī)構(gòu)仔細(xì)檢查。任何新設(shè)計(jì)都需要進(jìn)行額外的審查，因此重復(fù)利用先前已經(jīng)過認(rèn)證的電路非常令人期待。如果機(jī)構(gòu)認(rèn)定產(chǎn)品不符合安全要求，就可能需要修改分立式隔離電源設(shè)計(jì)。一旦進(jìn)行了修改，將需要再次重新表征設(shè)計(jì)并通過EMC測(cè)試。

更好的解決方案

解決這些問題的答案就是完全集成的、經(jīng)過安全認(rèn)證并有EMC性能文檔的元件。一個(gè)例子就是采用isoPower®技術(shù)的ADuM5020/ADuM5028低輻射隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。這些產(chǎn)品可從5 V直流電源提供高達(dá)0.5 W的隔離電源，工作溫度范圍為-40℃至125℃。它們已通過UL、CSA和VDE認(rèn)證，符合多個(gè)系統(tǒng)和元件安全規(guī)范。這些產(chǎn)品用于簡(jiǎn)單的雙層印刷電路板(PCB，圖2)中，在滿載條件下可滿足CISPR 22/EN 55022 B類輻射要求。

圖2.采用ADuM5020，結(jié)構(gòu)緊湊，布局簡(jiǎn)潔。

小型封裝(16引腳和8引腳寬體SOIC)僅占用很小的PCB面積，并且無需安全電容即可滿足輻射目標(biāo)。這使得隔離電源電路比分立式方法更小、更便宜，例如(分立式方法中的)嵌入式拼接電容需要四層或更多層PCB，并要求有定制間隔以生成正確的電容。

滿足更多隔離需求而增加復(fù)雜性

隨著汽車和其他交通工具的日益趨向電氣化，對(duì)隔離的需求也在增加。與此同時(shí)，激烈的競(jìng)爭(zhēng)使降低成本和縮短上市時(shí)間顯得尤為必要。與這些因素并存的是更為嚴(yán)格的監(jiān)管要求和隔離設(shè)計(jì)的固有復(fù)雜性。傳統(tǒng)的隔離方法無法成功應(yīng)對(duì)這種市場(chǎng)需求與挑戰(zhàn)的融合。完全集成的、經(jīng)過安全認(rèn)證并有EMC性能文檔的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了更好的解決方案。它們可以顯著降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并確保更好的EMC測(cè)試效果和合規(guī)性。由于在重新設(shè)計(jì)、重新表征和重新測(cè)試方面耗費(fèi)的時(shí)間更少，設(shè)計(jì)人員可以更加專注于如何減小電路板空間、減少風(fēng)險(xiǎn)、降低成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。