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“双碳”目标下隔离电源的新变化

时间:2021-12-20 11:07:22 作者:邵乐峰 阅读:
碳中和、5G、AI、大数据等技术趋势正在改变电源产品的设计理念,市场对中大功率电源以及与之相关的隔离技术需求已大幅攀升。
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碳中和、5G、AI、大数据等技术趋势正在改变电源产品的设计理念,市场对中大功率电源的需求已大幅攀升。以5G为例,由于数据流量的跃升、通信频率的提高、发射功率的加大,5G基站运行需要仰赖更多的电力供应。另一方面,由于5G传输距离更短,所以新建基站的数量需为4G基站的数倍以上,才能达到相同的覆盖率。这两个发展趋势要求通信电源产品必须追求更高的功率密度、更紧凑的封装体积、更智能的控制策略,更严格的安全认证等特性。

同时,“碳中和”目标的提出,使得充电桩、新能源汽车、光伏及风能发电,服务器等应用领域的电源产品也都在不断地推陈出新,而上述所有的这些应用都会涉及到隔离的需求。

MPS DCDC产品线业务拓展经理殷亮将电源隔离可以带来的好处分为三方面:首先,安全,可以保护人体和低压设备;其次,抗干扰,既可以隔离模拟和功率大地连接,又能够提高器件的连接质量;最后,进行电平转换。

目前市场上常见的隔离技术分为三种:光耦隔离、磁隔离和电容隔离。根据殷亮的介绍,以常见的光耦隔离技术为例,其主要通过发光二极管与光敏晶体管来实现电-光-电的转换,但缺陷在于存在光衰现象,导致寿命比较短,且供电电流偏大(毫安级),尺寸也比较大。同时,由于光耦隔离采用电-光-电的传输方式,需要进行双重转换,所以数据传输速率通常小于10Mbps,对外部的共模干扰非常敏感(通常低于20kV/us),传输延迟也会达到百纳秒级别。

为此,近些年来业界开始开发基于硅技术的产品,即磁隔离和电容隔离产品。这两类产品属于技术演进的新方向,由于采用了基于硅晶圆开发的技术,两类产品的使用寿命得到了大幅增加,尺寸也更小,数据传输速率都能达到100Mbps之上,对外部的共模抗干扰也更好(大于100kV/us),传输延迟只有光耦隔离的1/10左右,通常约50ns。 

但两者之间也存在一定差别,比如磁隔离基于微型变压器,对外部有比较强的放射,磁抗扰度也比较低。相对来说,高压电容隔离因为是基于高频信号耦合到载波信号,然后传递过结缘介质的传输机制,所以EMI特性、噪声干扰度比较好,而这也是MPS选择的产品路线方向。

而在谈到数字隔离技术时,殷亮表示,与传统的光隔离技术相比,数字隔离器由于纯粹是在电信号层级做转换,所以从寿命到成本到性能参数都更具优势,而光耦隔离技术将会逐渐被取代。

深度布局中大功率隔离电源市场

MPS针对 3KW功率级别推出了一整套电源转换方案,其输入电压范围为85V至265Vac,输出电压为48V,包括Totem Pole PFC(图腾柱PFC)和LLC两级电路。它采用了MPS的隔离型门极驱动MP188xx、PFC/LLC控制器MPF320x0、集成电源型数字隔离器MPQ27800和隔离电流传感器MCS180x等最新产品。这些器件的协同设计,使得该方案实现了2.14W/cm3的功率密度,整体转换效率达到96%。

MPS 3kW功率级隔离电源整体方案

其中的拳头产品隔离型门极驱动产品MP188xx包含多种通道配置,能够实现高达5KV隔离耐压、100KV/us共模抗干扰、30V输出端供电和低至50ns传输延时等关键指标。MP18831是一款隔离型半桥门极驱动器,具有4A的拉灌峰值电流能力。利用MPS专有的高压容性隔离技术,可以实现5KVRMS 的耐受电压和额定值大于100KV/us的共模瞬态抗扰度(CMTI)。该门极驱动器可以驱动各类型电源开关器件,具有传播延迟短和脉宽失真小的特性,封装选择有SOIC-16 NB/WB、LGA-13等。

MP18831典型应用电路

另外一款是集成电源型的四通道数字隔离器MPQ27800,它可以提供150Mbps的传输速率和5V/200mA的隔离供电,信号传输方向可以有多种选择,可替换传统的光耦隔离器并提供更佳的性能。同样地,它采用高压电容隔离技术,可以实现5KVRMS的隔离耐压。

MPQ27800典型应用电路

在集成式控制器方面,MPS的 MPF32010是一款用于 AC/DC 功率转换的 PFC 图腾柱数字控制器。图腾柱拓扑使用有源开关管代替双升压拓扑中的二极管整流器。这种配置方式可以增加整体效率。而且MPF32010集成了整个控制回路,并能允许用户通过友好的图形用户界面微调图腾柱的操作,从而大大简化了图腾柱的设计。

MPF32010集成了整个控制回路

同时,MPS还推出了独立的隔离电源模块MID1W0505,MID6W2424等系列产品。MID1W0505A 是一款半调制型、隔离式 DC/DC 变换器,在 -40°C 至 +125°C 工作温度范围内支持 4.5V 至 5.5V 的输入电压(VIN)以及高达 1W 的输出功率(POUT),且具有极好的负载和线性调整率。MID1W0505A-3 支持 3kVDC 隔离电压,它在一个芯片中集成了功率 MOSFET、变压器和反馈电路。与传统的隔离电源模块相比,提供了更紧凑的解决方案,具有可靠的工作性能。

MIDxxW0505A典型电路

殷亮认为,MPS在隔离产品方面的优势,一是涵盖从隔离栅极驱动器、信号隔离器到隔离电源模块等多种类型,可提供不同的封装、不同的耐压等级、不同通道数的选择和通道方向的配置,以及隔离电源模块功率等级的选择。同时,MPS还会根据不同的应用场景提供多种解决方案,有些产品引脚兼容,能够帮助客户快速进行迭代使用;或者根据其产品开发能力,提供规范的、有认证的、快速的上板测试,以方便客户在应用中进行一对一的性能参数对照。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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