隔離設(shè)計(jì)一直是半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)中舉足輕重的一環(huán)，尤其是在電源管理相關(guān)設(shè)計(jì)中，隔離是在實(shí)現(xiàn)信號(hào)或電源交換的同時(shí)用于提供保護(hù)功能的屏障，對(duì)于高壓系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。電源管理的集成度越來越高，需要實(shí)現(xiàn)的隔離、保護(hù)功能也越來越多，可以說出色的隔離技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為電源管理相當(dāng)重要的好壞因素。

憑借在為高壓系統(tǒng)開發(fā)新的隔離制造技術(shù)和集成電路方面二十余年的經(jīng)驗(yàn)，德州儀器（TI）在2022年5月10日推出了新的固態(tài)繼電器產(chǎn)品系列，包括符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的隔離驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)——具有集成10V柵極電源的TPSI3050-Q1隔離式開關(guān)驅(qū)動(dòng)器以及TPSI2140-Q1 1400V、50mA隔離式開關(guān)，旨在通過與眾不同的設(shè)計(jì)，利用高電壓隔離實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大而可靠的系統(tǒng)運(yùn)行。新產(chǎn)品的面世有助于提高電動(dòng)汽車的安全性，同時(shí)滿足新一代汽車和工業(yè)系統(tǒng)對(duì)于超高電壓、抗擾性以及性能方面的要求。

（圖源：TI）

汽車與工業(yè)系統(tǒng)面臨新的隔離挑戰(zhàn)

對(duì)于新一代的汽車系統(tǒng)來說，新一代電動(dòng)汽車從400V電池系統(tǒng)過渡到800V電池系統(tǒng)是一個(gè)大系統(tǒng)工程。自去年開始，海內(nèi)外眾多車企都在布局800V平臺(tái)，但800V高壓平臺(tái)的落地并不是那么容易，其中涉及從系統(tǒng)部件，到整車，以及基礎(chǔ)設(shè)施的整體配合變革，上至半導(dǎo)體元器件、電池模組安全性提升，下至車、樁、充電網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動(dòng)升級(jí)。從隔離技術(shù)的角度來看，其中的挑戰(zhàn)在于如何通過隔離來實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件（例如電機(jī)）之間的安全通信。

對(duì)于電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)器人和電機(jī)控制等高壓工業(yè)應(yīng)用來說，電源相關(guān)的隔離同樣需要實(shí)現(xiàn)安全地與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的高側(cè)組件進(jìn)行通信，在共模瞬態(tài)事件器件保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。

“高壓系統(tǒng)正變得越來越普遍，尤其是隨著電動(dòng)汽車的普及。在 TI，我們非常專注于為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員尋找解決復(fù)雜隔離難題的新方法，例如在行業(yè)向 800V 電池過渡時(shí)確保車輛可靠和安全運(yùn)行，同時(shí)減小解決方案尺寸和降低成本，”德州儀器（TI）電源開關(guān)、接口和照明副總裁兼總經(jīng)理Troy Coleman說?！巴ㄟ^在隔離技術(shù)中集成了更多功能，我們的新型固態(tài)繼電器使工程師能夠減小高壓電源的尺寸并降低其成本和復(fù)雜性，同時(shí)保障下一代汽車和工業(yè)系統(tǒng)的安全性?！?br />
TI全新固態(tài)繼電器如何推進(jìn)隔離技術(shù)的發(fā)展？

從低壓信號(hào)安全地控制高壓系統(tǒng)（如隔離電阻監(jiān)測(cè)中的情況）的能力是開發(fā)許多汽車系統(tǒng)所必需的。盡管機(jī)電式繼電器和接觸器技術(shù)多年來有所改進(jìn)，但對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，要實(shí)現(xiàn)其壽命可靠性和快速開關(guān)速度以及低噪聲、沖擊振動(dòng)和功耗目標(biāo)，仍然具有挑戰(zhàn)性。

電容式和電感式隔離固態(tài)繼電器（SSR）具有性能和成本的雙重優(yōu)勢(shì)，并且適合不同級(jí)別的隔離（無論是基礎(chǔ)型還是增強(qiáng)型）。TI全新的固態(tài)繼電器產(chǎn)品系列在單一芯片中集成了電源和信號(hào)傳輸，有助于工程師在設(shè)計(jì)中省去組件，并縮小解決方案尺寸和降低成本。因?yàn)椴粫?huì)隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)機(jī)械性能變差的情況，其壽命可靠性是傳統(tǒng)EMR的10倍。TI的固態(tài)繼電器產(chǎn)品系列通過集成電源和信號(hào)隔離淘汰移動(dòng)器件實(shí)現(xiàn)了更高的系統(tǒng)可靠性。

（圖源：TI）

本次新發(fā)布的固態(tài)繼電器將電源和信號(hào)傳輸集成在單一芯片中，同時(shí)還從其設(shè)計(jì)中消除了至少三個(gè)元器件，從而顯著減小了解決方案尺寸，同時(shí)將BOM成本降低了多達(dá)50%。與機(jī)械繼電器解決方案相比，TPSI3050-Q1通過集成隔離電源、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動(dòng)器的功能，可將解決方案尺寸縮小多達(dá)90%。與傳統(tǒng)固態(tài)光繼電器解決方案相比，TPSI2140-Q1通過集成信號(hào)FET和電阻器并消除了對(duì)舌簧繼電器的需求，可將解決方案尺寸減小多達(dá)50%。

（現(xiàn)有開關(guān)解決方案比較，來源：TI）

新型固態(tài)繼電器可以在幾微秒內(nèi)通過單個(gè)隔離柵斷開和連接負(fù)載（機(jī)電繼電器需要數(shù)毫秒），從而實(shí)現(xiàn)高壓汽車系統(tǒng)的更安全運(yùn)行。TPSI3050-Q1提供高達(dá)5kVRMS的增強(qiáng)型隔離，TPSI2140-Q1提供高達(dá)3.75kVRMS的基礎(chǔ)型隔離，使其能夠?qū)崿F(xiàn)比固態(tài)光繼電器高四倍以上的時(shí)間相關(guān)電介質(zhì)擊穿可靠性。兩款新品都通過集成隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高的系統(tǒng)可靠性。

寫在最后

用更低的成本，更小的尺寸來實(shí)現(xiàn)更可靠的安全性，更高的介電強(qiáng)度、更強(qiáng)大的性能，TPSI3050-Q1隔離式開關(guān)驅(qū)動(dòng)器以及TPSI2140-Q1隔離式開關(guān)為汽車應(yīng)用以及工業(yè)應(yīng)用提供了這個(gè)可能。