TI 强大的隔离能力，不止体现在产品上

原创杜芹半导体芯闻 2022-05-18 18:12 发表于安徽

在电源领域，目前业界主要聚焦在五大关键设计挑战：低EMI、功率密度、低I_Q、低噪声和高精度以及隔离。其中隔离可以定义为断路以及从初级侧和次级侧接地。通常，以安全为重中之重的高压应用需要隔离。只要存在高电压，就一定离不开隔离技术。

TI 25年深耕隔离技术

TI是当之无愧的电源专家，也是隔离领域的专家，在过去25年时间里TI不断深耕隔离领域的创新。大约 20 年前，TI 致力于发展模拟领域的制造工艺，特别是为高压系统开发隔离制造技术和集成电路。从2006年TI推出业内先进的SiO₂电容隔离器ISO72D开始，到发布和认证多千伏级产品，再到几百万小时的可靠性测试和投资开发300mm制造领域的隔离技术，TI能够灵活扩展我们的隔离产品系列，并向客户提供创新的产品。

据德州仪器 (TI) 电源开关、接口和照明部门副总裁兼总经理Troy Coleman的介绍，TI投资开发了高压系统的隔离技术，从而能向全球客户交付创新的差异化先进产品。从速度超快的隔离式栅极驱动器到集成式多通道数字隔离器，我们的工程师不断加快创新并扩展产品系列，提供在业内具有超高可靠性的全新隔离产品，同时降低系统成本和布板空间，解决客户较为复杂的设计挑战。

在这其中，制造流程和技术为TI带来了实际优势，包括降低成本和增强对供应链的控制。经过25年的深耕积累，TI已经具有品类丰富的产品系列。不仅如此，TI还在不断增加产品系列以更加经济、更好的新方式应对隔离挑战。TI在隔离领域的产品包括数字隔离器、隔离式ADC、隔离式放大器、隔离式接口IC、隔离式栅极驱动器、隔离式比较器、固态继电器等等。

发布两款新型固态继电器，尺寸减少90%，成本降低50%

现在新一代汽车系统带来了新的隔离挑战。随着新一代电动汽车(EV) 从400V电池系统过渡到800V 电池系统，需要通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件（例如电机）之间的安全通信。如果设计初衷是在电动汽车 (EV) 电池管理系统等隔离高压环境中实现更高的可靠性，则通常需要增加组件，这样会导致车辆的尺寸、重量和成本增加。

对此，TI发布了新型的固态继电器产品TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1。全新的固态继电器产品系列在单一芯片中集成了电源和信号传输，有助于工程师在设计中省去组件，并缩小解决方案尺寸和降低成本。

新型固态继电器可以在几微秒内通过单个隔离栅断开和连接负载（而机电继电器则需要数毫秒），从而实现高压汽车系统的更安全运行。TPSI3050-Q1 提供高达 5kVRMS 的增强型隔离，其工作寿命也比机电继电器高10倍，机电继电器的性能也会随着时间的推移而退化。此外，TPSI2140-Q1 提供高达 3.75kVRMS 的基础型隔离，使其能够实现比固态光继电器高四倍以上的时间相关电介质击穿可靠性。

利用独特的方法，TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1全新固态继电器系列可在一个芯片上穿过单一隔离栅传输功率和信号。另外，该产品系列的集成功能可从设计中至少取消三个组件，与竞争解决方案相比，解决方案尺寸至多可减少90%，成本最多可减少 50%。

超小的隔离式比较器AMC23C12

除了汽车，在下一代工业系统中，电网基础设施、机器人和电机控制等高压工业电源也需要隔离，对于大功率工业系统，例如电机驱动器和光伏逆变器，以及电动汽车充电器、牵引逆变器、车载充电器和直流/直流转换器等汽车系统，故障检测机制必不可少。故障检测通过电流、电压和温度测量来诊断系统内的任何交流电力线波动、机械或电气过载。在提高系统弹性和采用开关更快的晶体管（例如碳化硅和 GaN）的要求下，人们对准确快速的故障检测的需求也越来越迫切。所以设计人员需要开发可更有效容错的高压系统。

对此，TI为业界提供了超小的增强型隔离式比较器，它可实现隔离式双向过流、过压和过热检测。该器件结合了标准比较器和稳健的电隔离屏障，可缩小解决方案尺寸和降低成本。

AMC23C12通过集成一个宽输入范围低压降稳压器、一个窗口比较器和一个精密电压基准，将解决方案尺寸缩小50%。而且即使在最恶劣情况下其跳变阈值精度也低于3%，这有助于工程师减少设计裕度，支持更小尺寸的无源器件。其小于400ns的响应时间，可提供超快过流和过压检测，从而更好地保护系统。此外，通过单个外部电阻器实现可调跳变阈值，可促进不同设计重复使用。

AMC23C12的原理

TI的隔离新技术：集成变压器

随着全世界工业系统对隔离技术的要求越来越高，我们不仅需要提供隔离，还需要提供高功率密度和低 EMI，从而提高这些产品的效率并简化合规性。对于电源设计人员而言，在越来越小的空间内提供更多功率的需求仍是主要的电源趋势，随着汽车和各种不同应用具有越来越多的功能，这一需求也对 EMI 带来了挑战。所以要面临着隔离和EMI的双重挑战。

面对这样的趋势和挑战，TI于2020年开发出了突破性的集成变压器技术，缩小了隔离式电源传输，使其可纳入 IC 尺寸的封装中，实现了高密度隔离式直流/直流电源转换，同时可保持低EMI和高可靠性。

TI 集成变压器技术的优势主要有：工程师可提高功率密度，使现有解决方案体积最多可减少 80%。再者，集成变压器具有极低的初级到次级电容，并针对 EMI性能进行了优化。在温度范围内具有业界出色的精度：闭环控制在-40°C 至 150°C 范围内可实现双输出，精度为±1.0%。该技术具有 8mm 爬电距离和间隙的增强型隔离可用于防范接地电势差，并保持稳健性。

基于集成变压器技术，TI开发了两款隔离器件：UCC12050和UCC14240-Q1。据Troy Coleman的介绍，其中，UCC12050 是 2020 年推出的器件，适用于工业运输、电网基础设施和医疗设备，UCC12050 能将总尺寸大幅缩减，最高达 80%；UCC12050的效率是我们同尺寸同类器件的两倍，并且功率密度是同类隔离电源模块的两倍；它采用新型架构，功率约0.5W，并且可靠性更高、BOM更小，并简化了电路板布局布线。

UCC14240-Q1是2021年推出的器件。这一器件旨在推动汽车应用向半分布式和分布式偏置电源架构发展的行业趋势。此外，UCC14240-Q1是业内尺寸超小、精度超高的1.5W 隔离式直流/直流偏置电源模块。支持在 800V 动力总成中使用高隔离3kV RMS，在单个 IC 上能实现+15V/-5V完全隔离转换，为牵引逆变器中大功率碳化硅开关提供隔离式偏置和隔离式驱动提供经过测试的设计。

结语

面对汽车和工业所带来的的隔离需求，TI正以更经济、更好的新方式应对隔离挑战。通过提供业内超高的工作电压和超高可靠性的隔离产品，帮助延长系统寿命并提供保护。除了研发特定产品之外，TI还在开发出多项技术，能以更加可靠、更具成本效益、尺寸更小的解决方案和更加紧凑的功能解决隔离的历史问题。