不可否認的趨勢是更小、更輕的電氣系統(tǒng)，汽車電氣化就是一個典型的例子。專業(yè)服務公司普華永道估計，到 2024 年，混合動力和純電動汽車將占全球銷量的 40%。隨著汽車電氣化的增加，越來越多的電氣元件和系統(tǒng)之間對隔離的需求也越來越大。例如，帶有 400 V 直流電池組的電動汽車正變得越來越普遍，具有明顯的安全隱患。

提供所需的下一代隔離解決方案增加了一系列新挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)，尤其是在隔離方面，涉及復雜的架構和流程，這些架構和流程限制了敏捷性和靈活性，同時為變革創(chuàng)造了障礙。競爭和全球化步伐的加快迫使供應商關注上市時間 （TTM） 和投資回報率 （ROI）。這意味著開發(fā)團隊必須按照壓縮的時間表完美執(zhí)行。

隨著設計和開發(fā)資源越來越受到審查和捉襟見肘，在所有關鍵學科中都沒有深厚的經(jīng)驗。迭代需要保持在最低限度以達到目標投資回報率，但與此同時，來自競爭對手的壓力可以快速、無情地推動性能目標，以進一步區(qū)分產(chǎn)品。還有新的監(jiān)管機構和更嚴格的法規(guī)增加了一層應用測試和認證。要求很高，風險也很高。

了解隔離設計

雖然隔離是隔離設計的重要組成部分，但它遠非簡單。從確定所需的隔離級別，到提供隔離電源以補充隔離數(shù)據(jù)路徑，再到使解決方案適合可用空間——必須評估許多設計權衡。然而，每個新項目都有其獨特的設計目標和要求。

多種因素，包括技術難度、與先前設計的相似性、調度和資源配置，共同決定了可以使用多少重用與新設計選項。重復使用以前的設計或架構方法，只需進行最少的更改，通常會降低風險并加快執(zhí)行速度。但是，新功能或提高的性能水平通常決定了對新方法的調查。這也可能是花費稀缺的開發(fā)資源來評估新技術和改進技術以提供設計的增值部分。

傳統(tǒng)方法的局限性

集成隔離式 DC-DC 轉換器的出現(xiàn)通過提供緊湊、易于使用的解決方案并具有文檔化的安全認證，使許多這些問題更容易解決。考慮一個新項目被批準的場景，其中以前的設計將升級到具有附加功能的更高性能指標。團隊成員立即精力充沛，準備投入工作。但是技術項目負責人必須擔心可能出錯的事情，并在更嚴格的預算和進度限制下管理日益增加的復雜性。

在這些項目管理挑戰(zhàn)中，滿足日益苛刻的電磁兼容性 （EMC） 要求。越來越多的新興應用和市場需要符合眾多 EMC 規(guī)范，并且隨著更嚴格的性能限制而不斷提高標準。

現(xiàn)有的分立解決方案（例如隔離式反激式轉換器）具有一些優(yōu)勢，包括較低的物料清單 （BOM） 成本，但也存在缺陷。典型的反激式設計（如圖 1 所示）包含一個驅動隔離變壓器的控制器、次級整流和濾波，以及一個光隔離反饋網(wǎng)絡。誤差放大器需要工程設計工作來開發(fā)補償網(wǎng)絡以穩(wěn)定電壓環(huán)路，并且取決于光耦合器性能的可變性。

1. 典型的隔離反激式 DC-DC 轉換器

光耦合器通常被視為用于電源的廉價隔離器，其電流傳輸比 （CTR） 會發(fā)生變化，這將限制電壓反饋性能和有效工作溫度范圍。CTR 參數(shù)定義為輸出晶體管電流與輸入 LED 電流的比率，并且是非線性的，具有很大的單元間可變性。光耦合器的初始 CTR 通常具有 2:1 的不確定性，在高溫環(huán)境（例如高功率和高密度電源中的環(huán)境）中使用多年后，其可能會降低高達 50%。對于項目經(jīng)理來說，從成本的角度來看，離散反激方法似乎更好，但需要在工程工作量和技術風險方面進行權衡。

離散方法的另一個問題在于滿足安全標準。安全機構更密切地審查離散設計，因此獲得離散系統(tǒng)設計的必要認證通常會導致多次設計迭代。

系統(tǒng)中的隔離也增加了復雜性。典型的非隔離設計具有通常的限制條件，例如輸入和輸出電壓范圍、最大負載電流、噪聲和紋波、瞬態(tài)性能、啟動特性等。就其本質而言，隔離柵消除了輕松監(jiān)控輸入的能力和輸出條件同時進行，使得實現(xiàn)性能指標變得更加困難。單獨的接地域也形成了一個偶極子天線，任何穿過屏障的共模電流都會激發(fā)偶極子并導致不需要的輻射能量。

通過測試

讓分立電源設計通過 EMC 認證可能需要幾次迭代。EMC 測試耗時且昂貴，需要團隊花費大量時間在外部 EMC 合規(guī)性設施中準備和監(jiān)控測試。當出現(xiàn)問題時，它會返回實驗室進行故障排除和更改。然后必須對設計進行完全重新表征，以確保標準性能指標不會因修改而受到影響。然后返回 EMC 設施進行重新測試。

最后階段是獲得必要的安全認證。這是另一個由外部安全機構執(zhí)行的漫長而昂貴的過程。設計團隊必須準備大量文件，并由機構仔細檢查。任何新的東西都會受到額外的審查，因此需要重復使用以前經(jīng)過認證的電路。如果機構決定不滿足安全要求，則可能需要更改分立式隔離電源設計。一旦修改，設計將再次需要重新表征并通過 EMC 測試。

更好的解決方案

這些問題的答案是完全集成且經(jīng)過安全認證的組件，具有記錄的 EMC 性能。ADuM5020 / ADuM5028低輻射隔離式 DC-DC 轉換器就是一個例子，它采用了iso Power 技術。它們通過 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°C 至 125°C。這些產(chǎn)品已通過 UL、CSA 和 VDE 的多個系統(tǒng)和組件安全規(guī)范認證。它們在簡單的兩層印刷電路板上滿足 CISPR 22/EN 55022 B 類輻射發(fā)射要求。

2. 使用 ADuM5020 進行緊湊而簡單的布局

小封裝占用的 PCB 面積小，無需安全電容即可滿足排放目標。這使得隔離式電源電路比分立式方法更小、更便宜，例如嵌入式拼接電容器需要四層或更多層和定制間距才能產(chǎn)生正確的電容。

審核編輯：郭婷