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如何避免隔离设计的隐藏成本?

电子产品不断增加

不可否认,电气系统变得更小、更轻,汽车电气化就是一个最好的例子。专业服务公司普华永道(PwC)预计,到2024年,混合动力汽车和全电动汽车将占全球销量的40%。随着汽车电气化程度的提高,越来越多的电气组件和系统需要隔离。例如,配备400 V直流电池组的电动汽车正变得越来越普遍,这带来明显的安全隐患。

更多电子产品需要更多隔离

新一代隔离解决方案面临的挑战无论是数量还是类型都在不断增加。这些系统,尤其是对于隔离设计而言,涉及复杂的架构和流程,会限制敏捷性和灵活性,同时也给变革带来阻碍。竞争与全球化步伐加速迫使企业更加关注上市时间(TTM)和投资回报(ROI)。这意味着开发团队必须在更短的时间内完美地执行计划。随着对设计和开发资源越来越严密地审查和更多的需求,所有关键设计领域尚缺乏大量的经验。需要保持最少迭代次数才能够达到投资回报目标,但与此同时,来自竞争对手的压力又会快速无情地推高性能目标,这样才能使产品与众不同。新监管机构和更严格的法规又需要额外增加一层应用测试和认证。需求陡增,风险极高。

了解隔离设计

虽然隔离是隔离设计的重要组成部分,但它并不是简单的设计部分。

从确定所需的隔离级别到提供隔离电源以辅助隔离数据路径,再到使解决方案适合可用空间——需要评估许多设计权衡因素。然而,每个新项目都有自己独特的设计目标和设计要求。多种因素(包括技术难度、与先前设计的相似性、时间安排和资源配置)共同决定了有多少设计可以重复利用和需要多少全新设计选项。通过极少的更改,重复利用先前的设计或架构方法通常可以降低风险并加快执行速度。但是,新功能或性能水平 的提高往往决定了需要研究新方法。将稀缺的开发资源用于评估新技术和改良技术,提高设计的技术价值,这一点也很重要。

传统方法的局限性

集成隔离式DC-DC转换器的出现,提供了一个紧凑、易用的解决方案,并具有文档化的安全认证,使得上述诸多考虑因素更容易得到解决。假设有这样一个场景,新项目已获批准,需要升级先前的设计,以达到更高的性能指标并具有更多功能。团队成员立即充满活力,准备投入工作。然而,项目技术负责人不得不为所有可能出错的因素而担忧,而且在更紧张的预算和进度限制下,管理的复杂性日益增加。

满足越来越严苛的电磁兼容性(EMC)要求是这些项目管理挑战之一。越来越多的新兴应用和市场需要符合众多EMC规范,而且标准也随更严格的性能限制而不断提高。

现有的分立式解决方案(如隔离反激式转换器)具有物料清单(BOM)成本低等优点,但也存在一些缺点。典型的反激式设计(图1)包含驱动隔离变压器的控制器、次级整流和滤波以及光隔离反馈网络。误差放大器需要开发补偿网络的设计工程以稳定电压回路,并且它的性能还取决于光耦合器性能的一致性。光电耦合器常常被视为廉价隔离器而用于电源,但其电流传输比(CTR)变化限制了电压反馈性能和有效工作温度范围。CTR参数定义为输出晶体管电流与输入LED电流之比,并且它是非线性的,具有明显的个体差异。光耦合器的初始CTR通常具有2比1的不确定性,在高温环境中使用多年后下降高达50%(例如在高功率、高密度电源中的光耦合器)。对于项目经理而言,从成本的角度来看,反激式分离器件方法似乎更好,但需要权衡工程量和技术风险。

图1.典型隔离式反激DC/DC转换器

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