“我们今天谈的主要是隔离电源芯片和 ADI 的隔离产品,摩尔定律在这儿并不适用。为什么?举个例子光伏逆变器我们做到 1500V 电压,很多其他应用也像光伏这样,如汽车和能量存储,都是要把电压提高,这样效率会提高,线损会减少。电压提高后隔离带的耐压等级也要提高,也影响到芯片外部的爬电距离要更宽。所以,隔离芯片一个很大的趋势是要越做越大;当然也有一些情况下它需要越做越小,如从 SOC 封装向 LGA 封装演进等,但整体上隔离芯片产品的技术演进并不在摩尔定律框定的范围内。”近日在 PCIM 2018 期间,ADI 公司接口与隔离产品中国区业务拓展负责人陈捷这样对与非网记者提到。
 


ADI 公司接口与隔离产品中国区业务拓展负责人陈捷


几种典型隔离电源产品的优劣,ADI 为什么选择磁耦合
并不遵循摩尔定律,但隔离芯片同样也有自己的一些技术演进规律,因为芯片设计的技术创新大体上都会围绕几个方向,包括电路拓扑、材料、工艺、封装。就信号隔离产品而言,从传统的光耦合,到现在的多种新型耦合方式包括电容耦合、射频耦合和磁耦合,各大厂商也都在这几个方向上进行攻关。


其中光耦合是最传统的一种隔离方式,在市场上的应用已超过 50 年,目前它在很多场合还是占据主流,这是隔离市场的客户特点决定的,对一个新的产品和技术,尤其是跟安全相关的,客户通常会倾向保留现有的设计,市场渗透和切换会比别的产品慢。“而光耦合最大的一个问题是集成度差,因为光很容易串扰,没办法做多通道集成。”陈捷这样评价。


电容耦合是用二氧化硅作为隔离带材料,因为二氧化硅是比较硬的一种材料,它的应力比较差,如果做厚了会比较脆,容易裂,这样就没有办法把隔离带做得特别厚,这是它的一个缺点;同时,电容是一种单端器件,很容易受到干扰,为了抑制干扰,需要做电路上的设计和改进。
射频耦合也不算什么新技术,但这个技术现在更多的是一种概念和技术储备,在大规模商用上现在还为时过早。“主要是基于成本和市场需求的考虑,市场上对这么高速率的隔离技术的需求还不成熟。”陈捷如是说。


而磁耦合是 ADI 率先推出的一种隔离技术,已经有 20 年时间,陈捷这样介绍磁耦合隔离产品的优势,“第一,磁耦合可以做到高集成度,ADI 的数字隔离产品可以做到 3 个通道、4 个通道甚至 6 个通道集成在一个封装里;第二,作为磁耦合的线圈因为是双端器件,天然有对共模噪声的抑制力;第三,ADI 的磁耦合数字隔离电源的隔离带选择的是聚酰亚胺材料,它的特点是有点弹性,较之二氧化硅能做得比较厚,一般可以做到 20 微米、30 微米甚至 40 微米,耐压等级可以更高;第四,从速率的角度,当前磁耦合的隔离器速率通常做到 100Mbps,ADI 的产品做到 150Mbps 就能满足绝大多数现有应用的需求,而当前最高速率的产品可以做到 600Mbps,未来预计最高能做到 1Gbps 的速率。”


“到去年为止,ADI 已经出货了 20 亿个数字隔离通道。”对此,陈捷颇为自豪。从陈捷的角度,未来越来越多的应用将采用数字隔离器,市场份额必将会进一步扩大,而光耦的市场会有所萎缩。但他也坦言,数字隔离器不可能完全取代光耦,理由是光耦在一些低成本、低速率的场合有它的优势。因为光耦的价格跟它的通讯速度是呈指数相关的,在 1Mbps 甚至 10Mbps 以上,它的价格就会比数字隔离高很多,但是在 1Mbps 以下的低速情况下它的成本很低。“所以一定有些市场是数字隔离器不会去碰的,但是未来的发展趋势肯定是速度越来越快,在这些新的增长点、新市场上,数字隔离器是有优势的。”

从第一代到第二代数字隔离电源,ADI 都做了些什么
最早开发出磁耦合隔离技术后,ADI 首先将其用于信号隔离产品,在 2006 年左右推出了第一代芯片级的数字隔离电源产品 isoPower 系列。在此次 PCIM 2018 上,陈捷向与非网记者展示了该系列的第二代产品 ADuM5020/28。
 


新一代数字隔离电源产品的性能优势


据陈捷介绍,相较于此前的产品,最新数字隔离电源产品实现了两大关键技术创新和性能优化,包括:


1. EMI 性能提升
因为芯片级数字隔离电源的线圈尺寸很小,工作频率很高,因为是隔离的状态没有反馈路径,在把能量传过隔离带时就会产生一些共模信号或噪声辐射出去,造成 EMI 辐射较大。这里面的关键因素包括线圈的对称性,如果对称性做得不好,其中的共模噪声就比较大,此外也跟周边的电路有关,如电源去耦电容选择得不好、摆放的位置不好或 PCB 布局布线不合理都会造成辐射较大。陈捷表示,上一代的数字隔离电源产品需要客户在系统电路设计上投入更多来实现理想的 EMI 特性,此前的做法通常包括在隔离芯片两端跨接一个安规电容,用电容给它提供一个反馈路径;或者做成四层 PCB,在 PCB 的内层做交叠,这样形成 PCB 的一个电容,提供一个低阻抗的反馈路径。


最新的 ADuM5020/28 采用新型线圈设计方式实现了更好的对称性,同时通过采用一种扩频技术,让产品的工作频率的峰值扩展开,将频谱上的峰值能量高度压低,从而达到工业级 ClassB 的辐射标准。“新一代产品一方面可以帮助客户轻松达到 EMI 测试标准,也不需要加任何跨接电容,只需要在输出端加两个磁珠和两个电容,同时也不需要用四层 PCB 来实现,只需要两层 PCB,从而实现低成本、小型化的解决方案。”陈捷解释。


2. 抗干扰性更好
数字隔离电源的抗干扰性跟芯片本身的设计是强相关的,线路的设计,包括编码的方式都会有影响。陈捷提到,ADI 在抗干扰方面也可以分为第一代和第二代的产品,在编码方式上,第一代产品可称为边沿编码方式,指对脉冲信号的上升沿和下降沿进行编码。这种方式的抗干扰性不是很强,因为它是作为一个单端信号传输过去,且在调制解调的过程中如果受到干扰,它的误码恢复能力会比较慢,要等到下一个边沿信号才能恢复;此外在线路设计方面,这一代产品的线圈仍是传统的线圈设计。


而对于第二代产品,一方面在线圈设计上进行了改进,绕线方式成 S 型,好处在于两个圈的磁场方向是相反的,这样在远端的辐射,这两个磁场信号可以互相抵消,造成的辐射小。另外抗干扰性也更强,因为辐射和抗干扰速度都是相关的,这是在线路上设计的优化;另一方面在编码方式上,新的数字隔离电源采用 OOK 技术,即在低电平时不发送任何脉冲或编码,高电平时始终发送一连串高频的信号,一旦受到干扰可以马上识别出来,因为干扰信号通常比较短暂,干扰信号消失后,可以迅速判断它是出现在低电平还是高电平部分,这是跟边沿编码最大的一个区别;此外,信号传输方式也从原来的单端方式变成了差分方式,即两根线分别发送正、负信号,产生的效果就是辐射小,抗干扰性强。“我们在很多细节上进行了优化,我相信新一代的产品,哪怕是在电机控制这种比较恶劣的环境下,抗干扰性也有良好表现。”

 

更多有关数字隔离电源的资讯,欢迎访问 与非网数字隔离电源专区

 

与非网原创内容,未经许可,不得转载!