【導(dǎo)讀】在電子系統(tǒng)中，經(jīng)常需要在有較大電勢(shì)差的高壓系統(tǒng)和低壓電路之間建立可靠的隔離，以阻止兩個(gè)域不同部件之間的異常直流和交流電流，保護(hù)人身安全免受電擊或者減少設(shè)備遭受損壞的風(fēng)險(xiǎn)。按照安全要求的等級(jí)，隔離可被分為功能隔離、基本隔離、雙隔離和增強(qiáng)隔離。
不過(guò)，隔離并不等于“隔絕”，在彼此隔離的兩個(gè)系統(tǒng)域之間還是需要進(jìn)行信號(hào)和/或電源的傳輸?shù)模虼嗽诖_保符合隔離安規(guī)要求的同時(shí)，建立這種傳輸“通道”就是電子設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常要面對(duì)的功課了。
隔離DC-DC方案的選型
在電源設(shè)計(jì)方面，從隔離柵一側(cè)向另一側(cè)提供偏置電源，為相關(guān)的電路和設(shè)備（如電流和電壓傳感器、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動(dòng)器）供電，對(duì)于電源工程師來(lái)說(shuō)，不是一個(gè)新挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積淀，大家已經(jīng)找到了不少“穿越隔離柵供電”的有效方法，歸納起來(lái)，有以下常見的幾類：
反激式轉(zhuǎn)換器
反激式轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用于直流直流轉(zhuǎn)換，并在輸入級(jí)和輸出級(jí)之間提供絕緣隔離，是開關(guān)電源的一種。反激轉(zhuǎn)換器的拓?fù)湫枰粋€(gè)初級(jí)開關(guān)、一個(gè)整流器和一個(gè)類似變壓器的耦合電感器，能在一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和隔離，還可靈活地實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出，應(yīng)用時(shí)可通過(guò)選擇輸出繞組數(shù)量，通過(guò)在變壓器上纏繞線圈來(lái)匹配所選的配置。與其他的拓?fù)湎啾?，這種電源轉(zhuǎn)換器具有靈活性和低成本的特點(diǎn)。反激式轉(zhuǎn)換器主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于如何讓變壓器實(shí)現(xiàn)良好耦合，減少漏感，以及限制初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)間的寄生電容，有效防止電磁干擾（EMI）。
圖1：反激式轉(zhuǎn)換器（圖源：TI）
Fly-Buck™轉(zhuǎn)換器
這是Texas Instruments（TI）為隔離式偏置電源專門打造的一個(gè)專用拓?fù)?，其工作輸入電壓可高達(dá)100V。此拓?fù)洳捎猛浇祲恨D(zhuǎn)換器與耦合電感器，可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)隔離式輸出。由于反饋環(huán)路可在初級(jí)輸出電壓處閉合，因此該轉(zhuǎn)換器無(wú)需附加的輔助繞組或光耦合器進(jìn)行控制，耦合電感結(jié)構(gòu)靈活，可根據(jù)應(yīng)用需要靈活控制匝數(shù)比、隔離等級(jí)、次級(jí)繞組數(shù)和PWM占空比等。不過(guò)，F(xiàn)ly-Buck™轉(zhuǎn)換器與反激式轉(zhuǎn)換器相類似，在應(yīng)用時(shí)也需要工程師在耦合電感器設(shè)計(jì)、控制漏感和初次級(jí)間的寄生電容、減少EMI上下功夫。
圖2：Fly-Buck™轉(zhuǎn)換器（圖源：TI）
推挽式轉(zhuǎn)換器
這是一種適用于低噪聲、小型隔離式電源的常用解決方案，由具有嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)功能的輸入軌供電，開環(huán)運(yùn)行，固定占空比50%。其優(yōu)勢(shì)在于：具有支持多路輸出的靈活性；開環(huán)配置省去了反饋環(huán)路，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)；具有較低的初級(jí)-次級(jí)電容，能降低共模噪聲；能更有效地利用變壓器鐵芯的磁化電流，與反激式和Fly-Buck™轉(zhuǎn)換器相比，系統(tǒng)空間可以更為緊湊。不過(guò)推挽轉(zhuǎn)換器也有自身的弱點(diǎn)，如：不支持寬輸入電壓范圍，因此需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)輸入電壓；以及由于沒有閉合環(huán)路，不容易滿足輸出電壓反饋調(diào)節(jié)的要求，可能需要后置LDO。
圖3：推挽式轉(zhuǎn)換器（圖源：TI）
電源模塊
為了適應(yīng)系統(tǒng)小型化的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，人們還設(shè)計(jì)出了隔離DC-DC電源模塊，通過(guò)將控制器、整流器，甚至是變壓器集成在一個(gè)封裝中，電壓模塊具有明顯的集成度優(yōu)勢(shì)。使用電源模塊做設(shè)計(jì)，一般無(wú)需規(guī)定、設(shè)計(jì)或選擇變壓器，因此大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，只需加入輸入和輸出去耦電容器即可；而且經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，電源模塊產(chǎn)品組合也非常豐富，可以滿足多種應(yīng)用所需。不過(guò)與上文提及的其他方案相比，由于電源模塊在輸出數(shù)量配置等方面相對(duì)固定，靈活性可能會(huì)有所降低。
圖4：電源模塊（圖源：TI）
可以說(shuō)，各種隔離偏置電源解決方案各具特點(diǎn)，在應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)隔離等級(jí)、輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、環(huán)境工作溫度范圍、抗電磁干擾（EMI）特性能等方面做綜合的考量，做出合理的選擇。
表1：不同隔離DC-DC偏置電源方案的比較
（圖源：TI）
如果從輸出功率等級(jí)這個(gè)角度入手，可以將隔離DC-DC偏置電源分為不同的級(jí)別，以方便我們?nèi)プ鲠槍?duì)性的技術(shù)決策：
● 功率低于2W：適合使用全集成的電源模塊方案，其使用簡(jiǎn)單，且節(jié)省面積。
● 功率2W至10W：一般采用“半集成的轉(zhuǎn)化器+片外變壓器”的方案——包括反激式、Fly-Buck™或推挽式變壓器拓?fù)?mdash;—其不需要光耦，靜態(tài)電流低，系統(tǒng)效率高。
● 功率大于10W：推薦使用外置開關(guān)管和變壓器，配合控制器的方案，以滿足功率和效率等方面的要求。
在以上每個(gè)細(xì)分的應(yīng)用領(lǐng)域，都會(huì)有更為具體的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，這也為元器件廠商提供了創(chuàng)新和形成差異化優(yōu)勢(shì)的空間。比如今天我們就會(huì)為大家介紹TI 最新推出的一款應(yīng)用于2W以下、內(nèi)置集成磁變壓器的方案，且聽我們慢慢道來(lái)。
低功耗隔離DC-DC設(shè)計(jì)的考量
當(dāng)我們聚焦在小于2W的低功耗隔離DC-DC偏置電壓這個(gè)細(xì)分場(chǎng)景時(shí)，首先就要對(duì)目前主流的技術(shù)方案進(jìn)行一個(gè)梳理。
在小于500kHz的應(yīng)用中，是可以采用分立器件方案的（如采用反激式或推挽式拓?fù)洌?，但是由于變壓器、控制器、整流器等都是?dú)立外置的，系統(tǒng)的占板空間太大，因此現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)計(jì)都會(huì)采用集成度更高的電源模塊，傳統(tǒng)的電源模塊在功率密度上與分立器件方案相比，可以提升約2.5倍。
但是傳統(tǒng)電源模塊的的局限性也很明顯。由于封裝材料的限制，傳統(tǒng)電源模塊的工作溫度一般在85℃，最高不過(guò)105℃；另外受限于變壓器繞組的漆膜，在同樣隔離要求下很難進(jìn)一步壓縮器件的體積；有時(shí)為了通過(guò)EMI測(cè)試，還需要加上LC濾波器，會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本……
作為對(duì)傳統(tǒng)電源模塊的“升級(jí)”，有廠商推出了集成Air Core（空氣磁芯）變壓器的產(chǎn)品。這種特殊的變壓器結(jié)構(gòu)使其整體的封裝尺寸與傳統(tǒng)電源模塊相比明顯減小，很適合于20MHz以上（通常60-180MHz）的高頻應(yīng)用。但Air core器件效率比較低，只有30-50%，同時(shí)由于空氣磁芯的設(shè)計(jì)，會(huì)帶來(lái)更多的EMI問(wèn)題。
現(xiàn)有產(chǎn)品和方案的短板，恰恰為后來(lái)者提供了“做文章”的題材，也就是創(chuàng)新的著眼點(diǎn)。TI 新推出的UCC12050隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)用于為需要具有良好穩(wěn)壓輸出電壓的偏置電源的隔離電路提供高效隔離電源，采用了集成磁芯變壓器的專有架構(gòu)，平衡了效率和功率密度等方面的要求，面向7-10MHz這個(gè)工作頻率范圍，支持4.5V至5.5V的輸入電壓，提供5.0V，5.4V，3.3V或3.7V穩(wěn)壓輸出、500mW的輸出功率，同時(shí)在隔離性能、外形尺寸、工作溫度、電磁兼容等方面進(jìn)行了全面的優(yōu)化，為用戶提供了一個(gè)理想的隔離DC-DC解決方案。
圖5：UCC12050在小于2W低功耗隔離DC-DC
電源領(lǐng)域的定位（圖源：TI）
UCC12050方案解析
其實(shí)，細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，我們?cè)诒?中已經(jīng)對(duì)UCC12050這款新品與其他解決方案拓?fù)溥M(jìn)行了比較，具體來(lái)講，UCC12050的過(guò)人之處體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
01 采用了全集成方案，尺寸更小、功率密度更高
UCC12050采用16引腳小外形集成電路（SOIC）封裝，尺寸為10.3mm × 10.3mm × 2.65mm，功率密度是傳統(tǒng)隔離電源模塊的兩倍。這種高集成度也顯著簡(jiǎn)化了BOM，讓設(shè)計(jì)方案更容易通過(guò)相關(guān)的產(chǎn)品認(rèn)證。
圖6：UCC12050在緊湊的外形中實(shí)現(xiàn)了
更高的功率密度（圖源：TI）
02 增強(qiáng)型隔離，寬溫度范圍，提升了可靠性
UCC12050具有5kVRMS增強(qiáng)隔離，帶有8mm爬電距離和電氣間隙，可保護(hù)和抵抗地電位差。該產(chǎn)品還具有-40°C至125°C極寬的工作溫度范圍，可在極端條件下應(yīng)用，這與傳統(tǒng)電源模塊有限的工作溫度范圍相比無(wú)疑是個(gè)很大的突破。
03 提供60%的效率，是同尺寸競(jìng)品的兩倍
與Air core架構(gòu)的電源模塊相比，UCC12050可以實(shí)現(xiàn)60%的效率，幾乎是競(jìng)品的2倍。由此也使得產(chǎn)品工作時(shí)的散熱特性更為優(yōu)秀，從下圖中就可見一斑。
圖7：UCC12050的高密度提供了更佳的散熱特性
（圖源：TI）
04 創(chuàng)新的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更低的EMI
UCC12050集成磁性變壓器的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其具有更低的初級(jí)到次級(jí)的寄生電容，優(yōu)化了EMI性能，并且其噪音控制方案使得工程師更容易讓他們的設(shè)計(jì)通過(guò)國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）32 B級(jí)電磁干擾測(cè)試。磁性變壓器相比于Air core產(chǎn)品也更有利于EMI的治理。在使用其他電源模塊時(shí)，為了滿足EMI認(rèn)證，會(huì)在外部添加如低壓差穩(wěn)壓器（LDO）和鐵氧體磁珠等濾波器組件，而UCC12050出色的EMI特性完全可以省掉這些額外的元器件，大大減少系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)時(shí)間。
圖8：UCC12050與Air core產(chǎn)品相比，
具有更低的EMI（圖源：TI）
特別值得一提的是，在推出UCC12050的同時(shí)，TI還發(fā)布了一款滿足3kVRMS基本型隔離等級(jí)要求的姊妹產(chǎn)品UCC12040，它對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、智能電表、樓宇自動(dòng)化等不需要人員與設(shè)備直接接觸等應(yīng)用場(chǎng)景更為適合，兩個(gè)產(chǎn)品一同聯(lián)手，可以覆蓋相當(dāng)廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。
圖9：UCC12050與UCC12040的隔離特性
和應(yīng)用場(chǎng)景（圖源：TI）
新方案的典型應(yīng)用
憑借可靠隔離、優(yōu)化的EMI特性、小型化、高效率等特性，UCC12050會(huì)在很多應(yīng)用中找到自己的立足點(diǎn)。
比如在智能電網(wǎng)中，電量監(jiān)測(cè)設(shè)備從檢測(cè)端到控制端需要隔離，同時(shí)又需要為檢測(cè)端的電路提供偏置電源。UCC12050優(yōu)秀的EMI特性對(duì)檢測(cè)信號(hào)影響小，內(nèi)部集成磁變壓器的架構(gòu)又減少了系統(tǒng)體積，同時(shí)又能夠提供足夠的隔離安全性、必要的保護(hù)功能，以及精確的電壓控制和出色的瞬態(tài)響應(yīng)，自然是理想之選。
圖10：UCC12050在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用
（圖源：TI）
UCC12050的另一個(gè)用例是在電動(dòng)汽車電池管理方面。電動(dòng)汽車高壓電池在高于60V的情況下，需要檢測(cè)漏電流和對(duì)地電阻，這就要求能夠?yàn)檫@些檢測(cè)電路和ADC電路供電。UCC12050低EMI、小體積、簡(jiǎn)單易用的特性恰好可以滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)需求。
圖11：UCC12050在電動(dòng)汽車電池管理中的應(yīng)用
（圖源：TI）
另外在目前日漸火爆的GaN的應(yīng)用中，UCC12050也可以擔(dān)負(fù)起為柵極驅(qū)動(dòng)和數(shù)字隔離芯片供電的職責(zé)。其可以提供5V和5.4V的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電壓輸出，同時(shí)更小的寄生電容在高速高頻應(yīng)用中也是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
圖12：UCC12050支持GaN器件的應(yīng)用
（圖源：TI）
總之，隔離的應(yīng)用場(chǎng)景各異，因此對(duì)于“穿越隔離柵供電”的需求也就各不相同，TI在小于2W輸出功率的應(yīng)用領(lǐng)域，巧妙地找到了一個(gè)市場(chǎng)切入點(diǎn)，并基于自身獨(dú)特的技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為大家奉上了UCC12050/UCC12040這樣優(yōu)秀的解決方案。對(duì)于電源工程師來(lái)說(shuō)，這個(gè)妙招兒可以讓開發(fā)工作事半功倍，趕快收入囊中吧！
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