技術(shù)創(chuàng)新彌補(bǔ)EMI短板，磁隔離欲魚(yú)與熊掌兼得

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步將電路尺寸不斷壓縮，曾經(jīng)用一個(gè)大房間才能存放的大型計(jì)算機(jī)性能今天一臺(tái)筆記本就可以做到，集成電路的集成度已經(jīng)達(dá)到單芯片數(shù)億晶體管的規(guī)模。然而，半導(dǎo)體技術(shù)一路高歌猛進(jìn)卻似乎總是有幾道“魔咒”難以破除，包括電容、電感、光耦和變壓器這樣的無(wú)源器件的集成一直沒(méi)有明顯的突破，特別是尺寸龐大但應(yīng)用廣泛的變壓器成了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工程師一直以來(lái)的噩夢(mèng)，大尺寸、高功耗、EMI輻射、紋波……各種掣肘如影隨形。

作為高性能模擬技術(shù)提供商，ADI一直在嘗試突破這些阻礙模擬技術(shù)進(jìn)步的“魔障”，其研發(fā)的iCoupler磁隔離技術(shù)將傳統(tǒng)的變壓器用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝實(shí)現(xiàn)了集成，將傳統(tǒng)的采用磁芯的機(jī)械式變壓器片上化，并且具有高帶寬、低電感和高阻抗等優(yōu)點(diǎn)。ADI公司利用微變壓器設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出了芯片級(jí)DC-DC功率轉(zhuǎn)換器isoPower系列。最近，ADI再次發(fā)布isoPower系列新品，將產(chǎn)品的關(guān)鍵性能EMI指標(biāo)實(shí)現(xiàn)“大躍進(jìn)”，磁隔離在傳統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)上進(jìn)一步解決了過(guò)去EMI短板，實(shí)現(xiàn)魚(yú)與熊掌可以得兼的目標(biāo)。

隔離電源EMI輻射示意框圖

革命性電源架構(gòu)第二代克服EMI短板

ADI磁隔離技術(shù)歷經(jīng)近20年的發(fā)展，最開(kāi)始的產(chǎn)品是信號(hào)隔離。磁隔離的特點(diǎn)就是它含有全能量，基于該技術(shù)ADI多年后又推出了內(nèi)置變壓器的芯片級(jí)電源隔離產(chǎn)品，跟普通芯片一樣在純凈廠房里跟半導(dǎo)體器件一樣生產(chǎn)出來(lái)，而不是像傳統(tǒng)的零散機(jī)械元件組裝而成。

第二代技術(shù)滿足了無(wú)線電干擾特性CISPR 22/EN 55022 B類輻射標(biāo)準(zhǔn)

“第一代技術(shù)尺寸特別小的特點(diǎn)為大家所歡迎，但缺點(diǎn)也明顯——EMI不是很好，輻射比較大。因?yàn)樾酒?jí)的線圈尺寸很小，所以它的工作頻率特別高，數(shù)百兆的工作頻率把能量傳到隔離帶時(shí)，必然有一些共模的信號(hào)或者噪聲會(huì)輻射出去。” ADI數(shù)字隔離器產(chǎn)品部經(jīng)理陳捷在一場(chǎng)演講中表示。過(guò)去ADI工程師對(duì)這些問(wèn)題也給予了修正的方法，如建議在隔離芯片兩端跨接安規(guī)電容，用電容給它提供一個(gè)基礎(chǔ)的反饋路徑，或者利用四層PCB的內(nèi)層要做一個(gè)交疊形成電容特性，從而提供一個(gè)低阻抗的反饋路徑來(lái)抑制EMI。

“但很明顯，這兩種方法或多或少會(huì)給客戶帶來(lái)一些麻煩。所以，我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)一直在努力克服這個(gè)問(wèn)題，我們現(xiàn)在的第二代產(chǎn)品就從芯片本身成功地解決了這個(gè)EMI的問(wèn)題。”陳捷解釋道。第二代產(chǎn)品在線圈的設(shè)計(jì)上做了一些改進(jìn)，對(duì)稱性更好，并在頻率頻譜上增加擴(kuò)頻，將原來(lái)頻譜工作頻率的尖峰峰值擴(kuò)開(kāi)。“原來(lái)可以看到是一個(gè)單點(diǎn)的尖峰，現(xiàn)在用擴(kuò)頻的方式把它展開(kāi)了，就把能量降下來(lái)了。”陳捷指出，新的指標(biāo)可以輕松達(dá)到Class A、Class B的輻射標(biāo)準(zhǔn)。“利用第二代技術(shù)不需要做任何跨接電容處理，可以只用兩層PCB板，在輸出端加兩個(gè)磁珠和兩個(gè)電容即可。”陳捷表示。

100mA時(shí)使用2層PCB：準(zhǔn)峰值滿足CISPR 22 B類標(biāo)準(zhǔn)，915MHz時(shí)裕量為-5.1dBμV

陳捷口中的第二代產(chǎn)品是ADI近日宣布推出的其新一代增強(qiáng)隔離式電源轉(zhuǎn)換器ADuM5020/6020和ADuM5028/6028系列，可以使系統(tǒng)滿足EN 55022/CISPR 22 B類電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)的需求，無(wú)需在應(yīng)用層面使用高成本的EMI抑制技術(shù)，并且可簡(jiǎn)化EMI認(rèn)證流程，降低設(shè)計(jì)成本和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。ADI將其隔離產(chǎn)品的“斷代”的關(guān)鍵參考指標(biāo)放在EMI特性上，在十多年前推出第一代隔離電源之后ADI陸續(xù)推出了若干系列新品，但因?yàn)樵贓MI方面沒(méi)有做太多的優(yōu)化而仍歸屬第一代產(chǎn)品。隨著行業(yè)對(duì)EMI特性關(guān)注度越來(lái)越高，ADI投入幾十人用了兩年時(shí)間，完成了從研發(fā)到工藝、封裝、測(cè)試，完整完成新一代低EMI產(chǎn)品研發(fā)。

集成化趨勢(shì)下，通道隔離需求再上臺(tái)階

電源隔離集成化趨勢(shì)已經(jīng)形成，在新能源汽車(chē)、工業(yè)控制、儀器儀表和醫(yī)療等行業(yè)，越來(lái)越多的要用到高集成度的通道與通道之間隔離。“比如我們看到有些溫度采樣的設(shè)備，它可能一個(gè)板子上8個(gè)通道、8個(gè)ADC，要給這個(gè)ADC做隔離、信號(hào)要隔離，還要隔離電源，那用我們這種隔離芯片就特別方便。”陳捷指出，“現(xiàn)在有些高端產(chǎn)品就是要求每個(gè)通道之間都要隔離，它不能共用隔離電源。”儀器行業(yè)的小型化趨勢(shì)也正在促進(jìn)集成隔離電源的需求增加，甚至在一些便攜式的醫(yī)療設(shè)備上也開(kāi)始對(duì)隔離性能提出更高需求。

簡(jiǎn)化兩層PCB布局的ADuM5020/ADuM5028評(píng)估板

“例如醫(yī)療這塊會(huì)有更高隔離等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，ADuM6000系列以及ADuM6020的隔離等級(jí)就更高。另外，像汽車(chē)應(yīng)用對(duì)輻射的要求也越來(lái)越高，所以我們希望能在輻射的能量上進(jìn)一步的抑制，有更大的裕量。”陳捷表示，“我們還做了一個(gè)更小的SO8封裝，堪稱業(yè)界最小的隔離電源解決方案。另外，由于這個(gè)技術(shù)輸出的功率不是很大，盡管現(xiàn)在的500毫瓦已經(jīng)能滿足許多的應(yīng)用，但將來(lái)ADI可能會(huì)往更大的輸出功率去發(fā)展。”

成功挑戰(zhàn)光耦傳統(tǒng)市場(chǎng)，磁隔離持續(xù)走強(qiáng)

作為最傳統(tǒng)的一種隔離方式，光耦在市面上應(yīng)用已超過(guò)50年，目前在很多場(chǎng)合還占領(lǐng)主流應(yīng)用。ADI第二代隔離電源產(chǎn)品突破EMI的最大掣肘是否能在隔離電源大展拳腳、攻城略地?“隔離應(yīng)用通常與安全以及產(chǎn)品性能認(rèn)證直接相關(guān)，導(dǎo)致市場(chǎng)對(duì)新技術(shù)采納偏向保守，新產(chǎn)品和技術(shù)的市場(chǎng)滲透和切換會(huì)比別的產(chǎn)品慢，這是這個(gè)市場(chǎng)的特點(diǎn)。”陳捷表示。

然而光耦的顯著缺點(diǎn)這些年正在為新型隔離技術(shù)提供了切入點(diǎn)，尤其是相對(duì)于磁隔離最大的一個(gè)問(wèn)題是集成度差。“特別是做多通道隔離時(shí)光耦技術(shù)單個(gè)封裝實(shí)現(xiàn)不了，必須是一個(gè)通道一個(gè)器件，而數(shù)字磁隔離可以將3、4個(gè)甚至是6個(gè)通道放在一個(gè)封裝里。”陳捷指出。事實(shí)上，電源隔離也面臨這樣的技術(shù)差異，特別是光沒(méi)有辦法傳遞電源能量，而磁隔可以。從技術(shù)本身來(lái)講它的應(yīng)用更靈活、集成度更高。

“未來(lái)越來(lái)越多的應(yīng)用肯定是數(shù)字隔離器的市場(chǎng)份額會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，光耦的市場(chǎng)會(huì)有所萎縮。但數(shù)字隔離器也不可能完全取代光耦，因?yàn)楣怦钤诘统杀?、低速率的?chǎng)合有它的優(yōu)勢(shì)。”陳捷坦陳。據(jù)他透露，在1MBPS以下的應(yīng)用，光耦的價(jià)格與其通訊速度呈指數(shù)相關(guān)，比如到了1M甚至10MBPS以上，它的價(jià)格就比數(shù)字隔離高很多，但在低速時(shí)成本非常低。“所以一定有些市場(chǎng)是數(shù)字隔離器不會(huì)去碰的，但是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)肯定是速度越來(lái)越快，所以新的增長(zhǎng)點(diǎn)、新的市場(chǎng)數(shù)字隔離器優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。”陳捷表示。