作者：PSDC主编  
 
“碳中和”代表一个新时代的开始，对大功率电源提出了更高的要求：效率更优化、尺寸更紧凑和安全更严格。
从新兴的光伏及风能发电、储能、新能源汽车及充电桩、电池管理系统，到传统通信电源、服务器电源、不间断电源，都离不开大功率电源方案，这些方案中的电气隔离是保障系统安全及人身安全不可或缺重要一环。那么，如何利用半导体技术的创新，实现更高效稳健的隔离呢？
 

 
日前，MPS（Monolithic Power Systems，芯源系统股份有限公司）推出了一系列针对大功率应用的专用控制器、采用高压电容隔离技术的电源IC，旨在为业界提供高效、简单、可靠的选择。MPS DCDC产品线业务拓展经理殷亮介绍了MPS隔离电源产品的市场优势及其最新技术进展，分享了MPS在隔离电源领域的新产品及整体解决方案。
 
为什么需要隔离和怎样隔离？
殷亮指出，电子电气产品的发展使一些行业应用对安全性的要求越来越高，功率密度越来越大，可靠性要求也越来越严，如工业自动化、电动车BMS、充电桩等。
满足这些要求就需要采用隔离方案，它有三个作用，一是保护人体和低压设备的安全；二是隔离模拟和功率地的连接，提高器件连接质量，也就是抗干扰；三是实现电平转换。
 

 
隔离通常指电气隔离，用来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（包括人手可触终端）有足够的安全隔离距离，以防止在控制端失效时用户接触高压，造成灾难性后果。例如，在电动车辆中，跨接所有子系统的各隔离链路将供电给传动系统的高压电池与低压电子器件隔离开。又如，由于用户可接触，AC/DC电池充电器需要有满足UL安规认证的隔离保护。
隔离有三种方式或技术：光隔离、磁隔离和电容隔离。
·光隔离：基于发光二极管（LED）的光隔离技术广泛用于AC/DC功率转换的输出反馈。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。
·磁隔离：通过耦合电感来实现。在AC/DC功率转换中，常用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。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。
·电容隔离：是在每个芯片顶层金属到底层金属添加一个电容隔离屏障，中间的绝缘介质是二氧化硅，在晶圆氧化过程中形成绝缘的中间层；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。电容隔离本身具有无法传递直流信号的隔离特性，故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。不同于光耦合器单向传输，它还有双向传输功能。
对比可以发现，每种技术都有各自的特点，其中电容隔离优势最大。
 

 
从通信、工业到汽车隔离都不能少
通信、工业和汽车应用都离不开隔离电源产品，MPS的隔离电源产品涵盖驱动隔离、信号隔离和电源隔离，特别是大功率及隔离电源解决方案。
 

 
殷亮表示，隔离产品有很多种，包括隔离栅极驱动器、数字隔离器产品、变压器驱动器、隔离放大器和隔离电源模块等。MPS的隔离电源解决方案包括隔离栅极驱动器、数字隔离器、集成电源器件的数字隔离器、隔离DC/DC电源模块及控制器等。
 

 
这些方案支持多种隔离要求，以实现系统的最高安全等级和业界领先的性能。例如变压器驱动器开关频率高达10MHz，方案尺寸很小；同时支持不同的安全规范，如UL1577、VDE V 0884-11和IEC62368-1等。
 
MPS隔离产品不胜枚举
此前曾在MPS网站搜索关键词“隔离”，出现了140多条产品信息，有量产交付的，也有即将发布的，不一而足。殷亮重点介绍了一些新推出的隔离产品的特性和竞争优势。
他介绍说，一个比较典型的AC/DC变换拓扑通常分三级：PLC级、LLC级和同步整流级。图中红色的部分就是隔离驱动器。通常微型处理器或MCU会放在低压侧/副边侧，需要跨变压器控制高压侧/原边侧的MOSFET、IGBT或碳化硅或氮化镓开关管，需要有一个隔离信号加上驱动信号。以前的方法是先隔离信号，再做驱动级和电平转换。MPS隔离驱动器把三者功能全部集成到一个产品中，能够实现信号隔离、驱动和电平转换功能。
 

·MPS隔离栅极驱动器
这类产品具有出色的系统保护功能，能以最佳方式驱动电源开关器件，具有短传播延迟和脉宽失真特性。利用MPS的专有电容隔离技术和高级功能，这些驱动器可以为各种电源应用提供高效率、高功率密度和鲁棒性。
 

 
具体产品是MP18831/51/71系列隔离双路栅极驱动器，以MP18831为例，其拉灌峰值电流能力高达4A，可以驱动电源开关器件，具有短传播延迟和脉宽失真特性。利用MPS专有电容隔离技术可提供高达5kVRMS耐受电压（符合UL1577）。这些器件采用不同封装的隔离电压等级，可满足不同应用要求。
·数字隔离器和隔离电源模块
所谓数字隔离器是隔离电子系统中输入/输出的数字信号的芯片。MPS提供全系列超低功耗数字隔离产品，满足严苛的工业和汽车环境要求。与传统的光耦合器隔离器相比，具有紧凑、低功耗和更高可靠性的特点。
 

 
例如2-6通道数字隔离器MP276xx系列数字隔离器，采用MPS专有的电容隔离技术，一颗数字隔离器可以代替4到6颗光耦合器。产品支持5kVRMS绝缘电压、大于100kV/µs的CMTI和高达150Mbps的数据传输速率。这些隔离器专为满足多样的信号传输场景而设计，包括RS485、RS422、UART、SPI等。
 

 
MPS的MIDxxW0505A是5V转5V隔离电源模块，也是一款半调制型、隔离式DC/DC变换器，在-40℃至+125℃工作温度范围内支持4.5V至5.5V输入电压（VIN）以及高达1W的输出功率（POUT），且具有极好的负载和线性调整率。该器件支持3kVDC隔离电压。在一个芯片中集成了功率MOSFET、变压器和反馈电路，与传统的隔离电源模块相比，更加紧凑、可靠。
 

 
测试表明，与传统隔离电源模块相比，MID1W0505具有优异的强磁场抗扰能力。
 

 
MPS还将MIDxxW0505A和MP276xx集成为MPQ278xx（MPQ27800）。后者是2至4通道数字隔离器系列，经优化可替代应用中的传统光耦合器隔离，支持高达150Mbps的数据速率和5V或3.3V隔离电源。其绝缘额定电压高达3kVrms，同样是一种小尺寸、低功耗和更高的可靠性的解决方案。
 

 
·变压器驱动和隔离电源模块
伴随大功率系统市场趋势，隔离栅极驱动器供电对变压器提出了更高的要求，包括更高的总线电压、更高的变压器隔离电压、更高的dv/dt，还包括更低的绕组间寄生电容，以及漏感。
MPQ18913-AEC是用于隔离偏置供电的LLC变压器驱动，输入电压范围（耐受50V浪涌）5V至30V，外部时钟输入开关同步，可选自动谐振频率检测功能，用于降低EMI的可选频谱扩展功能，支持高达6W功率。其应用包括隔离电源供电、高频直流变换器和通用变压器驱动器等。
在SiC MOSFET/IGBT栅极驱动的隔离偏置电源中，同样可以在原边使用MPQ18913来实现电源的隔离。
 

 
MIDxW2424则是24V转24V隔离电源模块，输入电压为24V±10%，输出功率1W/3W/6W（可选），集成了SCP、OCP、OTP保护，具有3kVrms5kVrms（可选）隔离能力，支持空载工作，效率高达87%。
 

 
MPS还推出了一个大功率3KW AC/DC演示板，帮助客户了解和评估隔离电源模块的性能。

 
·控制器
MPF32010是一款AC/DC图腾柱PFC控制器，支持数字控制和可编程。图腾柱拓扑使用有源开关管代替双升压拓扑中的二极管整流器，可以增加整体效率。MPF32010具有一整套保护功能，包括过载、过流、过压和过温保护。MPF32010可以通过VB Pro™ 4.0工具进行完整的配置，实现定制化数字控制环路和设置保护限值和警报功能。另外，该器件还可以通过RS-485总线控制和配置。另一款是MPF32020 DC/DC LLC控制器。这些产品的应用包括电动车充电桩、不间断电源和储能装置。
 

 
创新引领趋势
殷亮最后总结道，MPS的多种隔离产品解决方案基于其领先的技术。电容隔离产品具有高可靠性、高隔离电压和小整体方案的优势；创新的图腾柱PFC控制器，具有全面的保护功能；稳健可靠的隔离电压高达5kV，且有UL 1577和AEC-Q100等认证；全套解决方案演示板和引脚兼容的产品可以快速投入使用，为客户节省开发时间和成本
 
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