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      避免隔離設計的隱藏成本——如何利用新一代解決方案管理項目風險W

      2021-01-25 14:51:08 來源:ADI公司,David Carr

      電子產品不斷增加

      不可否認,電氣系統變得更小、更輕,汽車電氣化就是一個最好的例子。專業服務公司普華永道(PwC)預計,到2024年,混合動力汽車和全電動汽車將占全球銷量的40%。隨著汽車電氣化程度的提高,越來越多的電氣組件和系統需要隔離。例如,配備400 V直流電池組的電動汽車正變得越來越普遍,這帶來明顯的安全隱患。

      更多電子產品需要更多隔離

      新一代隔離解決方案面臨的挑戰無論是數量還是類型都在不斷增加。這些系統,尤其是對于隔離設計而言,涉及復雜的架構和流程,會限制敏捷性和靈活性,同時也給變革帶來阻礙。競爭與全球化步伐加速迫使企業更加關注上市時間(TTM)和投資回報(ROI)。這意味著開發團隊必須在更短的時間內完美地執行計劃。隨著對設計和開發資源越來越嚴密地審查和更多的需求,所有關鍵設計領域尚缺乏大量的經驗。需要保持最少迭代次數才能夠達到投資回報目標,但與此同時,來自競爭對手的壓力又會快速無情地推高性能目標,這樣才能使產品與眾不同。新監管機構和更嚴格的法規又需要額外增加一層應用測試和認證。需求陡增,風險極高。

      了解隔離設計

      雖然隔離是隔離設計的重要組成部分,但它并不是簡單的設計部分。
      從確定所需的隔離級別到提供隔離電源以輔助隔離數據路徑,再到使解決方案適合可用空間——需要評估許多設計權衡因素。然而,每個新項目都有自己獨特的設計目標和設計要求。多種因素(包括技術難度、與先前設計的相似性、時間安排和資源配置)共同決定了有多少設計可以重復利用和需要多少全新設計選項。通過極少的更改,重復利用先前的設計或架構方法通??梢越档惋L險并加快執行速度。但是,新功能或性能水平 的提高往往決定了需要研究新方法。將稀缺的開發資源用于評估新技術和改良技術,提高設計的技術價值,這一點也很重要。


      傳統方法的局限性

      集成隔離式DC-DC轉換器的出現,提供了一個緊湊、易用的解決方案,并具有文檔化的安全認證,使得上述諸多考慮因素更容易得到解決。假設有這樣一個場景,新項目已獲批準,需要升級先前的設計,以達到更高的性能指標并具有更多功能。團隊成員立即充滿活力,準備投入工作。然而,項目技術負責人不得不為所有可能出錯的因素而擔憂,而且在更緊張的預算和進度限制下,管理的復雜性日益增加。

      滿足越來越嚴苛的電磁兼容性(EMC)要求是這些項目管理挑戰之一。越來越多的新興應用和市場需要符合眾多EMC規范,而且標準也隨更嚴格的性能限制而不斷提高。

      現有的分立式解決方案(如隔離反激式轉換器)具有物料清單(BOM)成本低等優點,但也存在一些缺點。典型的反激式設計(圖1)包含驅動隔離變壓器的控制器、次級整流和濾波以及光隔離反饋網絡。誤差放大器需要開發補償網絡的設計工程以穩定電壓回路,并且它的性能還取決于光耦合器性能的一致性。光電耦合器常常被視為廉價隔離器而用于電源,但其電流傳輸比(CTR)變化限制了電壓反饋性能和有效工作溫度范圍。CTR參數定義為輸出晶體管電流與輸入LED電流之比,并且它是非線性的,具有明顯的個體差異。光耦合器的初始CTR通常具有2比1的不確定性,在高溫環境中使用多年后下降高達50%(例如在高功率、高密度電源中的光耦合器)。對于項目經理而言,從成本的角度來看,反激式分離器件方法似乎更好,但需要權衡工程量和技術風險。

       
       
      圖1.典型隔離式反激DC/DC轉換器
       
      分立式方法的另一個問題在于能否滿足安全標準。安全機構對分立式設計的審查越發嚴密,因此針對分立式系統設計獲得必要的認證通常需要進行多次設計迭代。

      系統中的隔離也增加了電源設計的復雜性。典型的非隔離設計具有常見的約束條件,如輸入電壓和輸出電壓范圍、最大負載電流、噪聲和紋波、瞬態性能、啟動特性等。就其本質而言,隔離屏障無法同時輕松監控輸入和輸出條件,這使得性能指標的實現更加困難。分割的接地域還會形成偶極天線,并且穿過勢壘的任何共模電流將激勵偶極子并產生無用的輻射能量。


      通過測試

      為使分立式電源設計通過EMC認證,可能需要進行幾次迭代才能正確完成。EMC測試耗時且昂貴,團隊需要在外部EMC合規性機構花費數小時進行準備并監控測試。一旦問題發生時,又要回到實驗室進行故障排除和更改。然后必須對設計進行全面地重新表征,以確保標準性能指標不會因修改而受到影響。接下來,再回到EMC機構進行重新測試。

      最后階段是獲得必要的安全認證。這是另一個漫長而昂貴的過程,由外部安全機構執行。設計團隊必須準備大量文件,并交由機構仔細檢查。任何新設計都需要進行額外的審查,因此重復利用先前已經過認證的電路非常令人期待。如果機構認定產品不符合安全要求,就可能需要修改分立式隔離電源設計。一旦進行了修改,將需要再次重新表征設計并通過EMC測試。


      更好的解決方案

      解決這些問題的答案就是完全集成的、經過安全認證并有EMC性能文檔的元件。一個例子就是采用isoPower®技術的ADuM5020/ADuM5028低輻射隔離式DC-DC轉換器。這些產品可從5 V直流電源提供高達0.5 W的隔離電源,工作溫度范圍為-40℃至125℃。它們已通過UL、CSA和VDE認證,符合多個系統和元件安全規范。這些產品用于簡單的雙層印刷電路板(PCB,圖2)中,在滿載條件下可滿足CISPR 22/EN 55022 B類輻射要求。
       
      圖2.采用ADuM5020,結構緊湊,布局簡潔。

      小型封裝(16引腳和8引腳寬體SOIC)僅占用很小的PCB面積,并且無需安全電容即可滿足輻射目標。這使得隔離電源電路比分立式方法更小、更便宜,例如(分立式方法中的)嵌入式拼接電容需要四層或更多層PCB,并要求有定制間隔以生成正確的電容。
       

      滿足更多隔離需求而增加復雜性

      隨著汽車和其他交通工具的日益趨向電氣化,對隔離的需求也在增加。與此同時,激烈的競爭使降低成本和縮短上市時間顯得尤為必要。與這些因素并存的是更為嚴格的監管要求和隔離設計的固有復雜性。傳統的隔離方法無法成功應對這種市場需求與挑戰的融合。完全集成的、經過安全認證并有EMC性能文檔的隔離式DC-DC轉換器,為系統設計人員提供了更好的解決方案。它們可以顯著降低設計復雜性并確保更好的EMC測試效果和合規性。由于在重新設計、重新表征和重新測試方面耗費的時間更少,設計人員可以更加專注于如何減小電路板空間、減少風險、降低成本并縮短產品上市時間。
       

      作者簡介

      David Carr是ADI公司接口與隔離技術部門的應用工程經理。他的大部分職業生涯主要從事高速模擬和混合信號產品的定義、開發、營銷和應用支持。 他擁有賓厄姆頓大學電氣工程學士學位(BSEE)和電氣工程碩士學位(MSEE)。在新英格蘭天氣不錯時,Dave喜歡跑步和打壘球。
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