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未来AD/DC功率转换电容隔离的必要性及其分类

电子设计 来源:MPS 作者:Zhihong Yu 2020-12-18 14:15 次阅读

经历过去十年的发展,电容隔离俨然已经成为一种成熟的解决方案,常被用来取代使用在信号隔离器、隔离栅极驱动、隔离收发器等应用中的光耦合器1。然而,电容隔离的另一种潜在应用却常常被忽视,即用来取代离线适配器中的光耦合器。本文将阐释,为什么电容隔离将成为未来AD/DC功率转换的基本构成部分,它又是如何在性能方面超越其他隔离技术的,以及它给终端应用带来的独特优势。

隔离的必要性及其分类

本文提到的“隔离”亦指电流隔离,用于隔离电气系统的各个功能部分,防止直流电串扰。由于输入端常带有危险的高压电源,所以必须要与控制端/输出端(包括人手可触的终端)隔离出足够的安全距离,以防止在控制端失效时用户接触高压,造成灾难性的后果。更多关于电流隔离的详细介绍,请参考文献1。

例如,在电动车辆中,供电给传动系统的高压电池通过跨接所有子系统的各种隔离链路与低压电子器件隔离。再如,由于输出端的用户可访问性,AC/DC电池充电器需使用UL提供隔离保护。而IoT设备则无需隔离AC,因为这种设备的AC/DC部分在正常操作期间与终端用户并没有直接接触。

电流隔离实现方式可分为三种:光隔离、磁隔离和电容隔离(见图1)2,3。其中,基于发光二极管LED)的光隔离技术被广泛用于AC/DC功率转换中的输出反馈。但光耦合器的可靠性会随器件的老化、温度变化和电流增益变化而降低。有时,可能还需要第二个光耦合器来提供额外的过压保护(OVP),这样就会占用不少额外PCB空间。在参考文献44中,我们能轻易看出:在一个小小的5W苹果适配器中,两个大的光耦合器所占用的空间大小。

另一种隔离技术 — 磁隔离,可以通过耦合电感来实现。在AC/DC功率转换中,比较普遍的磁隔离物理方式是采用一种特殊加工的引线框架在原边和副边之间形成磁链。根据参考文献1可知,磁隔离对电磁干扰极其敏感,而现实中很多应用都存在强磁场,例如HVAC系统和涉及电机的工厂自动化应用。

图一:各种电流隔离技术

电容隔离 — 即在每个晶元顶部添加电容隔离屏障,将其串联起来,再使用数字电路穿越隔离屏障对各种信号进行编码和解码。加之电容隔离本身就具有无法传递直流信号的隔离特性,故被广泛用于敏感而重要的应用中,如电信和工业电源领域。电容隔离不仅不易受磁噪声干扰,还能保持较高的数据传输速率和较低的功耗。相比于光耦合器的单向传输,它更是具有双向传输功能。参考文献3中提出了一些电容耦合的想法,但必须采用专有设计方法,才能使穿过隔离屏障和高dV/dt公共噪声的电容电流不会影响到反激控制器的正常工作。

适配器采用电容隔离的主要优势:

在适配器中使用电容隔离的第一个优点便是反激转换器的全副边控制。

对于USB PD快速充电器,制造商期望可以在尽可能小的尺寸上增加更高的功率,那么就需要高频反激控制器、副边同步整流器和更高的效率,5. 其挑战是:在高频下需要保持原边至副边的良好通信,以防止原副边同时导通而引起严重故障。而电容隔离恰恰可以为之提供一种简单的解决方案 — 如果在副边生成反激控制,控制器便可以检测到同步整流器(SR)的关断,然后通过电容隔离链路快速开启反激。由于从副边至原边的传播延迟非常短,因此完全具备安全工作和高频工作的可能,为用户提供一种极简的SR解决方案,与基于光耦合器的反激式电源供电应用中通常采用的独立式原副边控制器的复杂设计相比,此方案还可以将一整套操作集成到单个IC中。

第二个优点:相比于光耦合器,电容隔离具有更高的可靠性和更多其他优势(请见参考文献6),如下所示6:

● 更短的传输时间和更稳定的过压和过温参数。

● 对比光耦合器,FIT故障率低得多,工作温度范围更加宽泛(-40~+125℃),隔离寿命也高出光耦合器几倍,且部件匹配度比光耦合器工艺更加紧密。

● 电容耦合输出要么低要么高,不会出现光耦合器模棱两可的输出状态,具有极好的过压和过温阈值稳定性。

● 更快更精准的定时功能,更低的工作功率和更少的寄生耦合,可实现更好的CMTI

第三个优点是节约物料(BOM)——电容耦合可以集成到IC内部,适配器也可替代反激控制器、SR控制器、耦合器及单个IC中所需的电阻/电容(见图2)。此种集成耦合反激IC可节省大约50% 的USB PD适配器物料成本。

图2:物料清单 – TI 7 vs. MPS

第四个优点是电容隔离可以支持软开关功能。过去,如果副边至原边没有通信则很难实现软开关,比如ZVS或有源箝位。现在,利用电容耦合,各类开关的寄生电容可轻易完美定时放电以实现软开关,从而提供了更高效、更可靠的精确控制。

The MPX2001

MPS首款集成电容耦合IC — MPX2001,用于反激变换器控制,集成了原边驱动电路、电容隔离和同步整流驱动(见图3)。

此 IC 关键特性包括:

● 100% 生产 HIPOT 测试,测试电压为4.5kVrms,符合UL1577 和IEC 62368安全标准

● 极低待机功耗《20mW

● 650V集成HV启动电流源

● 200V集成SR控制器,同时支持 DCM 和 CCM 工作模式

● 4点平均效率 》91%

● 全方位保护包括: 过压保护(OVP)、原边过流保护(POCP)、过载保护(OLP)、欠压保护(Brown-out)、短路保护(SCP)、过温保护(OTP)和欠压锁定保护(UVLO)

● 可调线性压差补偿

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图3:MPX2001基本原理图

图4向您展示了基于MPX2001和Cypress CCG3PA USB PD 协议IC,且经过验证的45W USB PD适配器。从图中可以看出,电路板较于先前解决方案,BOM明显精简不少。

图4:MPX2001 - 基于45W USB PD适配器,正在为MACbook充电(由电脑BMS限流,而不是电源)

另外,因为电容耦合可以支持反激控制器副边控制集成解决方案,这也为未来芯片领域打开了新的局面。例如,USB PD控制可通过副边PD协议通信IC来解决,以实现更低待机功耗、更小封装尺寸和更少物料(BOM)需求。

再如,许多商业LED照明灯具均由0~10V模拟调光器或数字PWM调光器8控制。其中两个调光器共同使用一个小型隔离变压器及10个以上外部元件来控制副边LED电源。而这些部件今后都可以集成到副边控制侧,实现LED照明集成解决方案指日可待。

更重要的是,数字功率控制在高端电源设计中占据了主导地位,广泛应用于服务器电源,常在带有电容隔离驱动和通信功能的原副边上使用MCU/DSP。此种解决方案前期投资大、成本高且开发周期长。如今,随着电容隔离在模拟芯片中的使用,在未来更多的成本敏感性应用中,数字控制的优势会越来越显著。

本文介绍了电容隔离为何能够成为更好的整体隔离技术,电容隔离将如何应用于AC/DC转换器中,以及副边控制在未来AC/DC功率转换设计中所拥有的更多潜在优势。同时展示了MPS产品MPX2001 —用于反激转换器控制的理想电容耦合集成解决方案。

1 https://training.ti.com/zh-tw/introduction-isolation?cu=1135015

2 https://www.silabs.com/documents/public/white-papers/CMOS-Digital-Isolators-WP.pdf

3http://www.powerguru.org/psu-ics-use-innovative-technology-to-reduce-25w-charger-cost-and-bom-count/

4 http://www.righto.com/2012/05/apple-iphone-charger-teardown-quality.html

5 Legislation in Power Supply Efficiencies Calls for Adopting Synchronous Rectifiers in Offline Power, https://www.allaboutcircuits.com/industry-articles/legislation-in-power-supply-efficiencies-calls-foradopting-synchronous-rec/

6 https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/AN731.pdf

7 http://www.ti.com/tool/TIDA-00702#1

8 https://www.dialog-semiconductor.com/sites/default/files/EBC980B_Reference_Design.pdf
编辑:hfy

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