未來(lái)AD/DC功率轉(zhuǎn)換電容隔離的必要性及其分類

經(jīng)歷過(guò)去十年的發(fā)展，電容隔離儼然已經(jīng)成為一種成熟的解決方案，常被用來(lái)取代使用在信號(hào)隔離器、隔離柵極驅(qū)動(dòng)、隔離收發(fā)器等應(yīng)用中的光耦合器1。然而，電容隔離的另一種潛在應(yīng)用卻常常被忽視，即用來(lái)取代離線適配器中的光耦合器。本文將闡釋，為什么電容隔離將成為未來(lái)AD/DC功率轉(zhuǎn)換的基本構(gòu)成部分，它又是如何在性能方面超越其他隔離技術(shù)的，以及它給終端應(yīng)用帶來(lái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

隔離的必要性及其分類

本文提到的“隔離”亦指電流隔離，用于隔離電氣系統(tǒng)的各個(gè)功能部分，防止直流電串?dāng)_。由于輸入端常帶有危險(xiǎn)的高壓電源，所以必須要與控制端/輸出端（包括人手可觸的終端）隔離出足夠的安全距離，以防止在控制端失效時(shí)用戶接觸高壓，造成災(zāi)難性的后果。更多關(guān)于電流隔離的詳細(xì)介紹，請(qǐng)參考文獻(xiàn)1。

例如，在電動(dòng)車輛中，供電給傳動(dòng)系統(tǒng)的高壓電池通過(guò)跨接所有子系統(tǒng)的各種隔離鏈路與低壓電子器件隔離。再如，由于輸出端的用戶可訪問(wèn)性，AC/DC電池充電器需使用UL提供隔離保護(hù)。而IoT設(shè)備則無(wú)需隔離AC，因?yàn)檫@種設(shè)備的AC/DC部分在正常操作期間與終端用戶并沒(méi)有直接接觸。

電流隔離實(shí)現(xiàn)方式可分為三種：光隔離、磁隔離和電容隔離（見(jiàn)圖1）2，3。其中，基于發(fā)光二極管（LED）的光隔離技術(shù)被廣泛用于AC/DC功率轉(zhuǎn)換中的輸出反饋。但光耦合器的可靠性會(huì)隨器件的老化、溫度變化和電流增益變化而降低。有時(shí)，可能還需要第二個(gè)光耦合器來(lái)提供額外的過(guò)壓保護(hù)（OVP），這樣就會(huì)占用不少額外PCB空間。在參考文獻(xiàn)44中，我們能輕易看出：在一個(gè)小小的5W蘋果適配器中，兩個(gè)大的光耦合器所占用的空間大小。

另一種隔離技術(shù) — 磁隔離，可以通過(guò)耦合電感來(lái)實(shí)現(xiàn)。在AC/DC功率轉(zhuǎn)換中，比較普遍的磁隔離物理方式是采用一種特殊加工的引線框架在原邊和副邊之間形成磁鏈。根據(jù)參考文獻(xiàn)1可知，磁隔離對(duì)電磁干擾極其敏感，而現(xiàn)實(shí)中很多應(yīng)用都存在強(qiáng)磁場(chǎng)，例如HVAC系統(tǒng)和涉及電機(jī)的工廠自動(dòng)化應(yīng)用。

圖一：各種電流隔離技術(shù)

電容隔離 — 即在每個(gè)晶元頂部添加電容隔離屏障，將其串聯(lián)起來(lái)，再使用數(shù)字電路穿越隔離屏障對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼。加之電容隔離本身就具有無(wú)法傳遞直流信號(hào)的隔離特性，故被廣泛用于敏感而重要的應(yīng)用中，如電信和工業(yè)電源領(lǐng)域。電容隔離不僅不易受磁噪聲干擾，還能保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較低的功耗。相比于光耦合器的單向傳輸，它更是具有雙向傳輸功能。參考文獻(xiàn)3中提出了一些電容耦合的想法，但必須采用專有設(shè)計(jì)方法，才能使穿過(guò)隔離屏障和高dV/dt公共噪聲的電容電流不會(huì)影響到反激控制器的正常工作。

適配器采用電容隔離的主要優(yōu)勢(shì)：

在適配器中使用電容隔離的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)便是反激轉(zhuǎn)換器的全副邊控制。

對(duì)于USB PD快速充電器，制造商期望可以在盡可能小的尺寸上增加更高的功率，那么就需要高頻反激控制器、副邊同步整流器和更高的效率，5. 其挑戰(zhàn)是：在高頻下需要保持原邊至副邊的良好通信，以防止原副邊同時(shí)導(dǎo)通而引起嚴(yán)重故障。而電容隔離恰恰可以為之提供一種簡(jiǎn)單的解決方案 — 如果在副邊生成反激控制，控制器便可以檢測(cè)到同步整流器（SR）的關(guān)斷，然后通過(guò)電容隔離鏈路快速開(kāi)啟反激。由于從副邊至原邊的傳播延遲非常短，因此完全具備安全工作和高頻工作的可能，為用戶提供一種極簡(jiǎn)的SR解決方案，與基于光耦合器的反激式電源供電應(yīng)用中通常采用的獨(dú)立式原副邊控制器的復(fù)雜設(shè)計(jì)相比，此方案還可以將一整套操作集成到單個(gè)IC中。

第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)：相比于光耦合器，電容隔離具有更高的可靠性和更多其他優(yōu)勢(shì)（請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)6），如下所示6：

● 更短的傳輸時(shí)間和更穩(wěn)定的過(guò)壓和過(guò)溫參數(shù)。

● 對(duì)比光耦合器，F(xiàn)IT故障率低得多，工作溫度范圍更加寬泛（-40～+125℃），隔離壽命也高出光耦合器幾倍，且部件匹配度比光耦合器工藝更加緊密。

● 電容耦合輸出要么低要么高，不會(huì)出現(xiàn)光耦合器模棱兩可的輸出狀態(tài)，具有極好的過(guò)壓和過(guò)溫閾值穩(wěn)定性。

● 更快更精準(zhǔn)的定時(shí)功能，更低的工作功率和更少的寄生耦合，可實(shí)現(xiàn)更好的CMTI。

第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約物料（BOM）——電容耦合可以集成到IC內(nèi)部，適配器也可替代反激控制器、SR控制器、耦合器及單個(gè)IC中所需的電阻/電容（見(jiàn)圖2）。此種集成耦合反激IC可節(jié)省大約50% 的USB PD適配器物料成本。

圖2：物料清單 – TI 7 vs. MPS

第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電容隔離可以支持軟開(kāi)關(guān)功能。過(guò)去，如果副邊至原邊沒(méi)有通信則很難實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，比如ZVS或有源箝位。現(xiàn)在，利用電容耦合，各類開(kāi)關(guān)的寄生電容可輕易完美定時(shí)放電以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，從而提供了更高效、更可靠的精確控制。

The MPX2001

MPS首款集成電容耦合IC — MPX2001，用于反激變換器控制，集成了原邊驅(qū)動(dòng)電路、電容隔離和同步整流驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖3）。

此 IC 關(guān)鍵特性包括：

● 100% 生產(chǎn) HIPOT 測(cè)試，測(cè)試電壓為4.5kVrms，符合UL1577 和IEC 62368安全標(biāo)準(zhǔn)

● 極低待機(jī)功耗《20mW

● 650V集成HV啟動(dòng)電流源

● 200V集成SR控制器，同時(shí)支持 DCM 和 CCM 工作模式

● 4點(diǎn)平均效率 》91%

● 全方位保護(hù)包括： 過(guò)壓保護(hù)（OVP）、原邊過(guò)流保護(hù)（POCP）、過(guò)載保護(hù)（OLP）、欠壓保護(hù)（Brown-out）、短路保護(hù)（SCP）、過(guò)溫保護(hù)（OTP）和欠壓鎖定保護(hù)（UVLO）

● 可調(diào)線性壓差補(bǔ)償

圖3：MPX2001基本原理圖

圖4向您展示了基于MPX2001和Cypress CCG3PA USB PD 協(xié)議IC，且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的45W USB PD適配器。從圖中可以看出，電路板較于先前解決方案，BOM明顯精簡(jiǎn)不少。

圖4：MPX2001 - 基于45W USB PD適配器，正在為MACbook充電（由電腦BMS限流，而不是電源）

另外，因?yàn)殡娙蓠詈峡梢灾С址醇た刂破鞲边吙刂萍山鉀Q方案，這也為未來(lái)芯片領(lǐng)域打開(kāi)了新的局面。例如，USB PD控制可通過(guò)副邊PD協(xié)議通信IC來(lái)解決，以實(shí)現(xiàn)更低待機(jī)功耗、更小封裝尺寸和更少物料（BOM）需求。

再如，許多商業(yè)LED照明燈具均由0～10V模擬調(diào)光器或數(shù)字PWM調(diào)光器8控制。其中兩個(gè)調(diào)光器共同使用一個(gè)小型隔離變壓器及10個(gè)以上外部元件來(lái)控制副邊LED電源。而這些部件今后都可以集成到副邊控制側(cè)，實(shí)現(xiàn)LED照明集成解決方案指日可待。

更重要的是，數(shù)字功率控制在高端電源設(shè)計(jì)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器電源，常在帶有電容隔離驅(qū)動(dòng)和通信功能的原副邊上使用MCU/DSP。此種解決方案前期投資大、成本高且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。如今，隨著電容隔離在模擬芯片中的使用，在未來(lái)更多的成本敏感性應(yīng)用中，數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越顯著。

本文介紹了電容隔離為何能夠成為更好的整體隔離技術(shù)，電容隔離將如何應(yīng)用于AC/DC轉(zhuǎn)換器中，以及副邊控制在未來(lái)AC/DC功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中所擁有的更多潛在優(yōu)勢(shì)。同時(shí)展示了MPS產(chǎn)品MPX2001 —用于反激轉(zhuǎn)換器控制的理想電容耦合集成解決方案。

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
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