如何利用下一代解決方案管理項(xiàng)目風(fēng)險

電氣含量呈上升趨勢

不可否認(rèn)，電氣系統(tǒng)的趨勢是更小、更輕，汽車電氣化就是一個典型的例子。專業(yè)服務(wù)公司普華永道估計，到2024年，混合動力和全電動汽車將占全球銷量的40%。隨著車輛電氣化的增加，越來越多的電氣元件和系統(tǒng)對隔離的需求也越來越大。例如，配備 400 V 直流電池組的電動汽車正變得越來越普遍，具有明顯的安全隱患。

更多的電氣內(nèi)容需要更多的隔離

提供下一代隔離解決方案帶來了越來越多的挑戰(zhàn)和各種挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)，特別是在隔離方面，涉及復(fù)雜的架構(gòu)和流程，限制了敏捷性和靈活性，同時為變革制造了障礙。競爭和全球化步伐的加快迫使公司更加關(guān)注上市時間 （TTM） 和投資回報 （ROI）。這意味著開發(fā)團(tuán)隊必須按照壓縮的時間表完美執(zhí)行。隨著設(shè)計和開發(fā)資源越來越受到審查和緊張，在所有關(guān)鍵學(xué)科中都沒有深厚的經(jīng)驗(yàn)。迭代需要保持在最低限度以達(dá)到目標(biāo)投資回報率，但與此同時，來自競爭對手的壓力可以快速、無情地推動性能目標(biāo)，以進(jìn)一步區(qū)分產(chǎn)品。還有新的監(jiān)管機(jī)構(gòu)和更嚴(yán)格的法規(guī)，增加了額外的應(yīng)用程序測試和認(rèn)證層。需求是陡峭的，風(fēng)險是高的。

了解隔離設(shè)計

雖然隔離是隔離設(shè)計的重要組成部分，但它不是設(shè)計的簡單部分。從確定所需的隔離級別，到提供隔離電源以補(bǔ)充隔離數(shù)據(jù)路徑，再到使解決方案適合可用空間，需要評估許多設(shè)計權(quán)衡。然而，每個新項(xiàng)目都有自己獨(dú)特的設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計要求。多種因素，包括技術(shù)難度、與以前設(shè)計的相似性、日程安排和資源，共同決定了與綠地設(shè)計選項(xiàng)相比可以采用多少重用。以最少的更改重用以前的設(shè)計或架構(gòu)方法通?？梢越档惋L(fēng)險并加快執(zhí)行速度。但是，新功能或性能水平的提高通常要求對新方法進(jìn)行調(diào)查。這也可能是花費(fèi)稀缺的開發(fā)資源來評估新的和改進(jìn)的技術(shù)，以提供設(shè)計的增值部分。

傳統(tǒng)方法的局限性

集成隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，通過提供緊湊、易于使用且安全認(rèn)證的解決方案，使許多這些考慮因素更容易解決?？紤]一個新項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)的場景，其中以前的設(shè)計將升級到具有附加功能的更高性能指標(biāo)。團(tuán)隊成員立即充滿活力，準(zhǔn)備投入工作。但是，技術(shù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人必須擔(dān)心可能出錯的所有不同事情，并在更嚴(yán)格的預(yù)算和進(jìn)度限制下管理日益增加的復(fù)雜性。

這些項(xiàng)目管理挑戰(zhàn)之一是滿足日益苛刻的電磁兼容性 （EMC） 要求。越來越多的新興應(yīng)用和市場要求符合眾多EMC規(guī)范，并且隨著性能限制的提高，標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。

現(xiàn)有的分立式解決方案，如隔離式反激式轉(zhuǎn)換器，具有一些優(yōu)點(diǎn)，包括較低的物料清單（BOM）成本，但也存在缺點(diǎn)。典型的反激式設(shè)計（圖1）包含一個驅(qū)動隔離變壓器的控制器，在次級上具有整流和濾波功能，以及一個光隔離反饋網(wǎng)絡(luò)。誤差放大器需要工程設(shè)計來開發(fā)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以穩(wěn)定電壓環(huán)路，并且取決于光耦合器的性能變化。光耦合器通常被視為用于電源的廉價隔離器，其電流傳輸比（CTR）會發(fā)生變化，這將限制電壓反饋性能和有效工作溫度范圍。CTR參數(shù)定義為輸出晶體管電流與輸入LED電流的比值，并且是非線性的，具有很大的單元間差異。光耦合器的初始CTR通常具有2：1的不確定性，在高溫環(huán)境中使用多年后，例如高功率和高密度電源中的CTR中，其性能會下降高達(dá)50%。對于項(xiàng)目經(jīng)理來說，從成本的角度來看，離散的反激式方法似乎更好，但在工程工作和技術(shù)風(fēng)險方面需要權(quán)衡。

圖1.典型隔離式反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

離散方法的另一個問題是滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。安全機(jī)構(gòu)更密切地審查分立式設(shè)計，因此獲得分立式系統(tǒng)設(shè)計的必要認(rèn)證通常會導(dǎo)致多次設(shè)計迭代。

系統(tǒng)中的隔離也增加了電源設(shè)計的復(fù)雜性。典型的非隔離設(shè)計具有通常的限制，例如輸入和輸出電壓范圍、最大負(fù)載電流、噪聲和紋波、瞬態(tài)性能、啟動特性等。就其本質(zhì)而言，隔離柵消除了同時輕松監(jiān)控輸入和輸出條件的能力，從而使實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)變得更加困難。獨(dú)立的接地域也形成偶極子天線，任何穿過勢壘的共模電流都會激發(fā)偶極子并導(dǎo)致不需要的輻射能量。

通過測試

要使分立式電源設(shè)計通過EMC認(rèn)證，可能需要幾次迭代才能正確。EMC 測試冗長且昂貴，需要團(tuán)隊花費(fèi)大量時間在外部 EMC 合規(guī)性機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備和監(jiān)控測試。當(dāng)問題確實(shí)發(fā)生時，它會返回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行故障排除和更改。然后，必須對設(shè)計進(jìn)行完全重新表征，以確保標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)不會因修改而受到影響。然后返回 EMC 設(shè)施進(jìn)行重新測試。

最后階段是獲得必要的安全認(rèn)證。這是另一個漫長而昂貴的過程，由外部安全機(jī)構(gòu)執(zhí)行。設(shè)計團(tuán)隊必須準(zhǔn)備大量文件，并由機(jī)構(gòu)仔細(xì)檢查。任何新事物都會受到額外的審查，這使得重用以前認(rèn)證的電路非常可取。如果機(jī)構(gòu)認(rèn)為分立式隔離電源設(shè)計不符合安全要求，則可能需要更改其設(shè)計。一旦修改，設(shè)計將需要再次重新表征并通過EMC測試。

更好的解決方案

這些問題的答案是一個完全集成且經(jīng)過安全認(rèn)證的組件，具有記錄在案的EMC性能。ADuM5020/ADuM5028低輻射隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器就是一個例子，它采用iso電源技術(shù)。它們采用 5 V 直流電源提供高達(dá) 0.5 W 的隔離電源，工作溫度范圍為 –40°C 至 125°C。 這些產(chǎn)品已通過 UL、CSA 和 VDE 的多個系統(tǒng)和組件安全規(guī)范認(rèn)證。它們在簡單的 2 層印刷電路板上滿足滿載條件下的 CISPR 22/EN 55022 B 類輻射發(fā)射要求（PCB，圖 2）。?

圖2.采用ADuM5020的緊湊和簡單的布局。

小型封裝（16 引腳和 8 引腳寬體 SOIC）占用的 PCB 面積非常小，并且無需安全電容即可滿足輻射目標(biāo)。這使得隔離電源電路比分立方法更小、更便宜，例如嵌入式旁路電容，需要四層或更多層，具有自定義間距才能產(chǎn)生正確的電容。

滿足更多隔離的需求，同時又不增加復(fù)雜性

隨著汽車和其他車輛電氣化的不斷發(fā)展，隔離的需求也在增加。與此同時，競爭加劇推動了降低成本和縮短上市時間的必要性。再加上更嚴(yán)格的監(jiān)管要求和隔離設(shè)計的固有復(fù)雜性。這種市場需求和挑戰(zhàn)的匯合，傳統(tǒng)的隔離方法無法成功解決。完全集成且經(jīng)過安全認(rèn)證的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器具有記錄的EMC性能，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了更好的解決方案。它們可以顯著降低設(shè)計復(fù)雜性，并確保更好的EMC測試和合規(guī)性。由于花在重新設(shè)計、重新表征和重新測試上的時間更少，設(shè)計人員可以減少電路板空間、降低風(fēng)險、降低成本并縮短上市時間。

審核編輯：郭婷