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避免隔离设计的隐藏成本——如何利用新一代解决方案管理项目风险

2021年01月06日 11:02 ? 次阅读

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400V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。

分立式方法的另一个问题在于能否满足安全标准。安全机构对分立式设计的审查越发严密,因此针对分立式系统设计获得必要的认证通常需要进行多次设计迭代。

系统中的隔离也增加了电源设计的复杂性。典型的非隔离设计具有常见的约束条件,如输入电压和输出电压范围、最大负载电流、噪声和纹波、瞬态性能、启动特性等。就其本质而言,隔离屏障无法同时轻松监控输入和输出条件,这使得性能指标的实现更加困难。分割的接地域还会形成偶极天线,并且穿过势垒的任何共模电流将激励偶极子并产生无用的辐射能量。

通过测试

为使分立式电源设计通过EMC认证,可能需要进行几次迭代才能正确完成。EMC测试耗时且昂贵,团队需要在外部EMC合规性机构花费数小时进行准备并监控测试。一旦问题发生时,又要回到实验室进行故障排除和更改。然后必须对设计进行全面地重新表征,以确保标准性能指标不会因修改而受到影响。接下来,再回到EMC机构进行重新测试。

最后阶段是获得必要的安全认证。这是另一个漫长而昂贵的过程,由外部安全机构执行。设计团队必须准备大量文件,并交由机构仔细检查。任何新设计都需要进行额外的审查,因此重复利用先前已经过认证的电路非常令人期待。如果机构认定产品不符合安全要求,就可能需要修改分立式隔离电源设计。一旦进行了修改,将需要再次重新表征设计并通过EMC测试。

更好的解决方案

解决这些问题的答案就是完全集成的、经过安全认证并有EMC性能文档的元件。一个例子就是采用isoPower?技术的ADuM5020/ADuM5028低辐射隔离式DC-DC转换器。这些产品可从5V直流电源提供高达0.5W的隔离电源,工作温度范围为-40℃至125℃。它们已通过UL、CSA和VDE认证,符合多个系统和元件安全规范。这些产品用于简单的双层印刷电路板PCB,图2)中,在满载条件下可满足CISPR22/EN55022B类辐射要求。

图2.采用ADuM5020,结构紧凑,布局简洁。

小型封装(16引脚和8引脚宽体SOIC)仅占用很小的PCB面积,并且无需安全电容即可满足辐射目标。这使得隔离电源电路比分立式方法更小、更便宜,例如(分立式方法中的)嵌入式拼接电容需要四层或更多层PCB,并要求有定制间隔以生成正确的电容。

满足更多隔离需求而增加复杂性

随着汽车和其他交通工具的日益趋向电气化,对隔离的需求也在增加。与此同时,激烈的竞争使降低成本和缩短上市时间显得尤为必要。与这些因素并存的是更为严格的监管要求和隔离设计的固有复杂性。传统的隔离方法无法成功应对这种市场需求与挑战的融合。完全集成的、经过安全认证并有EMC性能文档的隔离式DC-DC转换器,为系统设计人员提供了更好的解决方案。它们可以显著降低设计复杂性并确保更好的EMC测试效果和合规性。由于在重新设计、重新表征和重新测试方面耗费的时间更少,设计人员可以更加专注于如何减小电路板空间、减少风险、降低成本并缩短产品上市时间。

作者简介

DavidCarr是ADI公司接口与隔离技术部门的应用工程经理。他的大部分职业生涯主要从事高速模拟和混合信号产品的定义、开发、营销和应用支持。他拥有宾厄姆顿大学电气工程学士学位(BSEE)和电气工程硕士学位(MSEE)。在新英格兰天气不错时,Dave喜欢跑步和打垒球。

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