【導(dǎo)讀】經(jīng)歷過(guò)去十年的發(fā)展，電容隔離儼然已經(jīng)成為一種成熟的解決方案，常被用來(lái)取代使用在信號(hào)隔離器、隔離柵極驅(qū)動(dòng)、隔離收發(fā)器等應(yīng)用中的光耦合器1。然而，電容隔離的另一種潛在應(yīng)用卻常常被忽視，即用來(lái)取代離線(xiàn)適配器中的光耦合器。本文將闡釋?zhuān)瑸槭裁措娙莞綦x將成為未來(lái)AD/DC功率轉(zhuǎn)換的基本構(gòu)成部分，它又是如何在性能方面超越其他隔離技術(shù)的，以及它給終端應(yīng)用帶來(lái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
隔離的必要性及其分類(lèi)
本文提到的“隔離”亦指電流隔離，用于隔離電氣系統(tǒng)的各個(gè)功能部分，防止直流電串?dāng)_。由于輸入端常帶有危險(xiǎn)的高壓電源，所以必須要與控制端/輸出端（包括人手可觸的終端）隔離出足夠的安全距離，以防止在控制端失效時(shí)用戶(hù)接觸高壓，造成災(zāi)難性的后果。更多關(guān)于電流隔離的詳細(xì)介紹，請(qǐng)參考文獻(xiàn)1。
例如，在電動(dòng)車(chē)輛中，供電給傳動(dòng)系統(tǒng)的高壓電池通過(guò)跨接所有子系統(tǒng)的各種隔離鏈路與低壓電子器件隔離。再如，由于輸出端的用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)性，AC/DC電池充電器需使用UL提供隔離保護(hù)。而IoT設(shè)備則無(wú)需隔離AC，因?yàn)檫@種設(shè)備的AC/DC部分在正常操作期間與終端用戶(hù)并沒(méi)有直接接觸。
電流隔離實(shí)現(xiàn)方式可分為三種：光隔離、磁隔離和電容隔離（見(jiàn)圖1）2,3。其中，基于發(fā)光二極管（LED）的光隔離技術(shù)被廣泛用于AC/DC功率轉(zhuǎn)換中的輸出反饋。但光耦合器的可靠性會(huì)隨器件的老化、溫度變化和電流增益變化而降低。有時(shí)，可能還需要第二個(gè)光耦合器來(lái)提供額外的過(guò)壓保護(hù)（OVP），這樣就會(huì)占用不少額外PCB空間。在參考文獻(xiàn)44中，我們能輕易看出：在一個(gè)小小的5W蘋(píng)果適配器中，兩個(gè)大的光耦合器所占用的空間大小。
另一種隔離技術(shù) — 磁隔離，可以通過(guò)耦合電感來(lái)實(shí)現(xiàn)。在AC/DC功率轉(zhuǎn)換中，比較普遍的磁隔離物理方式是采用一種特殊加工的引線(xiàn)框架在原邊和副邊之間形成磁鏈。根據(jù)參考文獻(xiàn)1可知，磁隔離對(duì)電磁干擾極其敏感，而現(xiàn)實(shí)中很多應(yīng)用都存在強(qiáng)磁場(chǎng)，例如HVAC系統(tǒng)和涉及電機(jī)的工廠自動(dòng)化應(yīng)用。
圖一：各種電流隔離技術(shù)
電容隔離 — 即在每個(gè)晶元頂部添加電容隔離屏障，將其串聯(lián)起來(lái)，再使用數(shù)字電路穿越隔離屏障對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼。加之電容隔離本身就具有無(wú)法傳遞直流信號(hào)的隔離特性，故被廣泛用于敏感而重要的應(yīng)用中，如電信和工業(yè)電源領(lǐng)域。電容隔離不僅不易受磁噪聲干擾，還能保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較低的功耗。相比于光耦合器的單向傳輸，它更是具有雙向傳輸功能。參考文獻(xiàn)3中提出了一些電容耦合的想法，但必須采用專(zhuān)有設(shè)計(jì)方法，才能使穿過(guò)隔離屏障和高dV/dt公共噪聲的電容電流不會(huì)影響到反激控制器的正常工作。
適配器采用電容隔離的主要優(yōu)勢(shì)：
在適配器中使用電容隔離的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)便是反激轉(zhuǎn)換器的全副邊控制。
對(duì)于USB PD快速充電器，制造商期望可以在盡可能小的尺寸上增加更高的功率，那么就需要高頻反激控制器、副邊同步整流器和更高的效率，5. 其挑戰(zhàn)是：在高頻下需要保持原邊至副邊的良好通信，以防止原副邊同時(shí)導(dǎo)通而引起嚴(yán)重故障。而電容隔離恰恰可以為之提供一種簡(jiǎn)單的解決方案 — 如果在副邊生成反激控制，控制器便可以檢測(cè)到同步整流器(SR)的關(guān)斷，然后通過(guò)電容隔離鏈路快速開(kāi)啟反激。由于從副邊至原邊的傳播延遲非常短，因此完全具備安全工作和高頻工作的可能，為用戶(hù)提供一種極簡(jiǎn)的SR解決方案，與基于光耦合器的反激式電源供電應(yīng)用中通常采用的獨(dú)立式原副邊控制器的復(fù)雜設(shè)計(jì)相比，此方案還可以將一整套操作集成到單個(gè)IC中。
第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)：相比于光耦合器，電容隔離具有更高的可靠性和更多其他優(yōu)勢(shì)（請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)6），如下所示6:
● 更短的傳輸時(shí)間和更穩(wěn)定的過(guò)壓和過(guò)溫參數(shù)。
● 對(duì)比光耦合器，F(xiàn)IT故障率低得多，工作溫度范圍更加寬泛（-40～+125℃），隔離壽命也高出光耦合器幾倍，且部件匹配度比光耦合器工藝更加緊密。
● 電容耦合輸出要么低要么高，不會(huì)出現(xiàn)光耦合器模棱兩可的輸出狀態(tài)，具有極好的過(guò)壓和過(guò)溫閾值穩(wěn)定性。
● 更快更精準(zhǔn)的定時(shí)功能，更低的工作功率和更少的寄生耦合，可實(shí)現(xiàn)更好的CMTI。
第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約物料（BOM）——電容耦合可以集成到IC內(nèi)部，適配器也可替代反激控制器、SR控制器、耦合器及單個(gè)IC中所需的電阻/電容（見(jiàn)圖2）。此種集成耦合反激IC可節(jié)省大約50% 的USB PD適配器物料成本。
圖2：物料清單 – TI 7 vs. MPS
第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電容隔離可以支持軟開(kāi)關(guān)功能。過(guò)去，如果副邊至原邊沒(méi)有通信則很難實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，比如ZVS或有源箝位。現(xiàn)在，利用電容耦合，各類(lèi)開(kāi)關(guān)的寄生電容可輕易完美定時(shí)放電以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，從而提供了更高效、更可靠的精確控制。
The MPX2001
MPS首款集成電容耦合IC — MPX2001，用于反激變換器控制，集成了原邊驅(qū)動(dòng)電路、電容隔離和同步整流驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖3）。
此 IC 關(guān)鍵特性包括：
● 100% 生產(chǎn) HIPOT 測(cè)試，測(cè)試電壓為4.5kVrms，符合UL1577 和IEC 62368安全標(biāo)準(zhǔn)
● 極低待機(jī)功耗<20mW
● 650V集成HV啟動(dòng)電流源
● 200V集成SR控制器，同時(shí)支持 DCM 和 CCM 工作模式
● 4點(diǎn)平均效率 >91%
● 全方位保護(hù)包括： 過(guò)壓保護(hù)（OVP）、原邊過(guò)流保護(hù)（POCP）、過(guò)載保護(hù)（OLP）、欠壓保護(hù)（Brown-out）、短路保護(hù)（SCP）、過(guò)溫保護(hù)（OTP）和欠壓鎖定保護(hù)（UVLO）
● 可調(diào)線(xiàn)性壓差補(bǔ)償
圖3：MPX2001基本原理圖
圖4向您展示了基于MPX2001和Cypress CCG3PA USB PD 協(xié)議IC，且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的45W USB PD適配器。從圖中可以看出，電路板較于先前解決方案，BOM明顯精簡(jiǎn)不少。
圖4：MPX2001 - 基于45W USB PD適配器，正在為MACbook充電（由電腦BMS限流，而不是電源）
另外，因?yàn)殡娙蓠詈峡梢灾С址醇た刂破鞲边吙刂萍山鉀Q方案，這也為未來(lái)芯片領(lǐng)域打開(kāi)了新的局面。例如，USB PD控制可通過(guò)副邊PD協(xié)議通信IC來(lái)解決，以實(shí)現(xiàn)更低待機(jī)功耗、更小封裝尺寸和更少物料（BOM）需求。
再如，許多商業(yè)LED照明燈具均由0～10V模擬調(diào)光器或數(shù)字PWM調(diào)光器8控制。其中兩個(gè)調(diào)光器共同使用一個(gè)小型隔離變壓器及10個(gè)以上外部元件來(lái)控制副邊LED電源。而這些部件今后都可以集成到副邊控制側(cè)，實(shí)現(xiàn)LED照明集成解決方案指日可待。
更重要的是，數(shù)字功率控制在高端電源設(shè)計(jì)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器電源，常在帶有電容隔離驅(qū)動(dòng)和通信功能的原副邊上使用MCU/DSP。此種解決方案前期投資大、成本高且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。如今，隨著電容隔離在模擬芯片中的使用，在未來(lái)更多的成本敏感性應(yīng)用中，數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越顯著。
Summary
本文介紹了電容隔離為何能夠成為更好的整體隔離技術(shù)，電容隔離將如何應(yīng)用于AC/DC轉(zhuǎn)換器中，以及副邊控制在未來(lái)AC/DC功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中所擁有的更多潛在優(yōu)勢(shì)。同時(shí)展示了MPS產(chǎn)品MPX2001 —用于反激轉(zhuǎn)換器控制的理想電容耦合集成解決方案。更多關(guān)于反激控制器、SR控制器和其他AC/DC芯片的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)MPS官網(wǎng) www.monolithicpower.com 或聯(lián)系當(dāng)?shù)豈PS銷(xiāo)售辦事處。
1 https://training.ti.com/zh-tw/introduction-isolation?cu=1135015
2 https://www.silabs.com/documents/public/white-papers/CMOS-Digital-Isolators-WP.pdf
3http://www.powerguru.org/psu-ics-use-innovative-technology-to-reduce-25w-charger-cost-and-bom-count/
4 http://www.righto.com/2012/05/apple-iphone-charger-teardown-quality.html
5 Legislation in Power Supply Efficiencies Calls for Adopting Synchronous Rectifiers in Offline Power, https://www.allaboutcircuits.com/industry-articles/legislation-in-power-supply-efficiencies-calls-foradopting-synchronous-rec/
6 https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/AN731.pdf
7 http://www.ti.com/tool/TIDA-00702#1
8 https://www.dialog-semiconductor.com/sites/default/files/EBC980B_Reference_Design.pdf
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