同时满足超高压、可靠性、抗扰性和性能要求
 

 
开关是可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电子元件，其中有一个或几个电子接点。在发明晶体管之前，继电器一直被用作开关。它实际上是在做电源管理的工作。
 
在许多汽车系统中，用低压信号安全地控制高压系统（如隔离电阻监测的情况）是开关必需的能力。尽管机电式继电器和接触器技术多年来有所改进，但对于设计人员来说，要实现其寿命可靠性和快速开关速度，满足低噪声、冲击振动和功耗目标，仍然具有挑战性。
 
应对电源管理关键设计挑战离不开隔离
 
既然是电源管理，正变得越来越普遍的高压应用，不管是新一代汽车系统还是工业系统，尤其是随着新一代电动汽车从400V电池系统过渡到800V电池系统，都需要通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件（例如电机）之间的安全通信。这些新的隔离挑战包括：
 
·低EMI：尽量减少其他系统组件的干扰，简化工程师的设计和质量评估流程。
·功率密度：提高功率密度实现更多系统功能，同时降低系统成本。
·低IQ：延长电池寿命和货架期可实现更多功能，延长使用寿命并降低系统成本。
·低噪声和高精度：降低或转移噪声可为精密模拟应用简化功率链、提升可靠性。
·隔离：在高压和安全关键型应用中实现超高的工作电压和可靠性，同时缩小解决方案尺寸并降低成本。
 
具体到新一代工业系统，电网基础设施、机器人和电机控制等高压工业电源只有通过隔离，才能实现以下目标：
 
·针对可能损坏设备或伤害人身安全的高压浪涌提供保护。
·互连时如涉及较大的接地电位差（GPD），则可省去接地环路。
·安全地与电机驱动系统中的高侧组件通信。
·在共模瞬态事件期间保持数据完整性。
 

 
德州仪器（TI）电源开关、接口和照明副总裁兼总经理Troy Coleman表示：“行业向800V电池过渡可以确保车辆可靠和安全的运行，同时减小解决方案尺寸并降低成本。这时就要通过在隔离技术中集成更多功能，为系统设计人员寻找解决复杂隔离难题的新方法。”
 
他说，过去近25年里，TI一直在深耕隔离领域的创新，用与众不同的设计帮助客户实现满足超高压、可靠性、抗扰性和性能要求的强大系统。
 

 
TI在隔离技术领域持续投入，不断增加产品线，以更经济、更好的新方式应对隔离挑战，包括：耐受极端温度和系统噪声、超高的工作电压；实现超高的可靠性，延长系统寿命并提供更大范围的保护；集成更多特性，简化设计并减小系统尺寸。
 

 
什么样的继电器更具优势？
 
传统继电器开关是机电继电器（EMR），在高压开关应用中很常见。EMR使用电磁力机械地打开和关闭触点。源于机械特性，其触点本质上是金属对金属连接，EMR导通电阻极低。
 
在开关速度和可靠性方面，EMR确实需要权衡取舍。继电器内部的活动部件是一个限制因素，开关速度通常在5ms到15ms范围内。随着使用时间的推移，EMR可能会出现诸如拱起、颤动和焊接闭合等故障。
 
与EMR不同，光继电器没有活动部件，可提供高隔离电压。它是对传统EMR的改进；但是，其设计需要考虑可实现的功率传输限制，以及内部LED的老化等问题。此外，光继电器需要外部限流电阻器，通常还要使用额外的场效应晶体管（FET）来管理LED的开/关状态。
 
电容式和电感式隔离固态继电器（SSR）具有性能和成本优势，且适合不同级别的隔离（无论是基础型还是增强型）。与机电继电器和固态光继电器等技术相比，SSR也具有优势。
 
出色隔离技术提高可靠性，将尺寸成本减半
 
Troy Coleman指出，如果设计初衷是要在电动汽车（EV）电池管理系统等隔离高压环境中实现更高的可靠性，则通常需要增加组件，这样会导致车辆的尺寸、重量和成本增加。
 
他介绍说，TI刚刚推出的全新固态继电器产品系列——TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1固态继电器，在单一芯片中集成了电源和信号传输，有助于工程师在设计中省去组件，并将解决方案尺寸和成本降低一半。
 

 
谈到TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1的优势，他表示，利用独特的方法，全新固态继电器系列可在一个芯片上穿过单一隔离栅传输功率和信号。该系列的集成功能可从设计中至少取消三个组件，与竞争解决方案相比，解决方案尺寸至多可减少90%，成本最多可减少50%。
 
与长期使用易出故障的机电继电器解决方案相比，TPSI3050-Q1的工作寿命可增加10倍，提供的增强型隔离高达5kVRMS。TPSI2140-Q1有助于更快地检测高压电池管理系统的故障并提升安全性，与光继电器相比具有更高的可靠性。
 
他还表示，全新的固态继电器产品系列已发售预量产，很快就会扩展增加工业级固态继电器。工程师可使用TPSI3050Q1EVM和TPSI2140Q1EVM评估模块测试这些产品的性能。
 
同期发布的UCC14240-Q1是采用集成变压器的汽车类SPI可编程栅极驱动器和偏置电源参考设计，适用于牵引逆变器和车载充电器中电源开关的隔离式偏置电源和隔离式栅极驱动器。其特性包括：为牵引逆变器中大功率碳化硅开关提供隔离式偏置和隔离式驱动提供经过测试的设计；简化驾驶员高级保护的功能安全认证；支持在800V动力总成中使用高隔离3kVRMS；单个IC实现+15V/-5V完全隔离转换。
 
为什么能在IC尺寸封装中实现隔离式电源传输？
 
随着系统变得越来越小，其中的各种组件也必须缩减尺寸和间距，这也造成了更多隔离设计挑战。
 
Troy Coleman回顾到，2020年，TI首次推出专有的集成变压器技术，缩小了隔离式电源传输，使其可纳入IC尺寸封装，实现了高密度隔离式直流/直流电源转换，同时可保持低EMI和高可靠性。这就是UCC12050和UCC14240-Q1采用的技术。
 

 
集成变压器技术有哪些优势呢？集成变压器具有极低的初级到次级电容，并针对EMI性能进行了优化。用它设计的器件在温度范围内具有业界出色的精度，闭环控制在-40℃至150℃范围内可实现双输出，精度为±1.0%。器件具有8mm爬电距离和间隙的增强型隔离，可用于防范接地电势差，并保持稳健性。工程师可利用其提高功率密度，将现有解决方案体积最多减少80%。
 
首款使用TI的集成变压器技术开发的器件UCC12050适用于工业运输电网基础设施和医疗设备。另一款UCC14240-Q1是业内尺寸超小且精度超高的1.5W隔离式直流/直流偏置电源模块于2021年发布，适用于电动汽车、混合动力电动汽车、电机驱动系统和并网逆变器。
 

 
业内首款增强型隔离式比较器
 
Troy Coleman说，随着大功率工业和汽车应用中对提升系统弹性的需求增加，设计人员需要开发更有效容错的高压系统。TI的全新增强型隔离式比较器为业界提供了超小的解决方案，可实现隔离式双向过流、过压和过热检测。
 
该器件结合了标准比较器和稳健的电隔离屏障，可缩小解决方案尺寸和降低成本。AMC23C12的优势包括：
 
• 通过集成一个宽输入范围低压降稳压器、一个窗口比较器和一个精密电压基准，将解决方案尺寸缩小50%。
• 在最恶劣情况下跳变阈值精度低于3%，有助于工程师减少设计裕度，支持更小尺寸的无源器件。
• 小于400ns的响应时间，提供超快过流和过压检测，从而更好地保护系统。
• 通过单个外部电阻器实现可调跳变阈值，可促进不同设计重复使用。
 

 
同样，工程师可通过AMC23C12EVM评估模块测试现已发售预量产的AMC23C12件的性能。
 
以更经济有效的新方式应对隔离挑战
 
Troy Coleman最后总结道，通过业内超高的工作电压和超高可靠性，新产品可帮助延长系统寿命并提供保护。其集成特性，可简化设计、减小解决方案尺寸并降低成本。
 
特别是在电动汽车电池管理系统中，新的固态继电器提高可靠性并将解决方案尺寸和成本减半；新的隔高式比较器满足不断增长的高功耗系统故障检测需求并将解决方案尺寸减半；而适用于信号隔离器的电源高效、紧凑而高性能，适合为隔离信号供电。
 
“通过在隔离技术中集成了更多功能，我们的新型固态继电器使工程师能够减小高压电源的尺寸并降低其成本和复杂性，同时保障下一代汽车和工业系统的安全性。”他补充说。