TI發(fā)布車用隔離新品：成本降50%，方案尺寸減90%

　　據(jù)Gartner預(yù)測，2022年全球?qū)⒊鲐?00萬輛電動汽車（包括電池電動車和插電式混合動力車），這一數(shù)字高于2021年的400萬輛。在電動汽車銷量增長的同時(shí)，電動汽車的電池系統(tǒng)也正從400V過渡到800V，這需要應(yīng)用到更高效的隔離器件來實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信。

這對電源管理器件供應(yīng)商而言，系統(tǒng)的升級也要求隔離器件的更新迭代。過去25年里，德州儀器（TI）一直在深耕隔離領(lǐng)域的創(chuàng)新，到2022年5月上旬發(fā)布了一系列新隔離產(chǎn)品。這些新產(chǎn)品有助于提高電動汽車的安全性，可將解決方案尺寸減少90%、成本降低50%

TI在隔離領(lǐng)域的創(chuàng)新新能源汽車的電池系統(tǒng)正從400V向800V過渡，這一升級過程對電源管理提出了更多的挑戰(zhàn)。TI電源開關(guān)、接口和照明部門副總裁兼總經(jīng)理Troy Coleman介紹說，TI正在以多種方式支持汽車平臺向800V過渡，通過不斷推出新產(chǎn)品來應(yīng)對低EMI、功率密度、低靜態(tài)電流、低噪聲和隔離所帶來的挑戰(zhàn)。

為了滿足800V系統(tǒng)的需求，TI正更新其隔離器件產(chǎn)品。比如，解決固態(tài)繼電器的幾個設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，將隔離集成到更小體積的封裝，從而擁有更高功率密度，并在現(xiàn)有解決方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低靜態(tài)電流，以節(jié)省電池壽命；又如，在集成隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器上，則通過減少重量、尺寸以及提高800V電動汽車的效率，來提高功率密度。此外，TI也在硅和封裝技術(shù)方面不斷創(chuàng)新，以支持日益升高的電壓強(qiáng)化隔離。

隨著市場對安全和更高電壓的提出更高的要求，也增加了對可靠的繼電器解決方案的需求。燃油汽車通常只使用12V電池，該類汽車不需要隔離或高壓電路。而高壓電動汽車的電池電壓通常在400-800V范圍內(nèi)，電動汽車則需要進(jìn)行隔離來保護(hù)乘客，動力電池汽車上的所有設(shè)備提供動力，因此它的動力效率在電動汽車上變得更加關(guān)鍵。

 800V母線電動汽車要求隔離器件能在車輛的整個生命周期內(nèi)都能可靠地隔離高壓?！霸谡＿\(yùn)行期間，車輛還可能暴露于浪涌和過電壓，這會進(jìn)一步加重隔離屏障的壓力。為確保穩(wěn)健性和質(zhì)量，TI的內(nèi)部高壓測試和認(rèn)證流程都超出了VDE0884和IEC-60747-17規(guī)定的要求?！盩roy補(bǔ)充說，TI專有的電容和電感隔離技術(shù)為電力和信號傳輸提供屏障，該電源和信號用于驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動器、開關(guān)或其他功能等電路。

當(dāng)然，TI在隔離領(lǐng)域創(chuàng)新所遇到的最大的挑戰(zhàn)是——“如何將如此多的功能集成到一個小封裝中，同時(shí)必須保持高電壓的隔離要求和爬電額定值”。Troy介紹說，TI是通過采用可靠的測試方法，以及封裝設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新來解決這個難題。

TI在高壓和安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，致力于實(shí)現(xiàn)超高的工作電壓和可靠性、縮小解決方案尺寸并降低成本。從2006年發(fā)布ISO721D業(yè)內(nèi)首款SiO2電容隔離器，到現(xiàn)在發(fā)布最新的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1固態(tài)繼電器。

全新固態(tài)繼電器：TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1 TI的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1完全集成電源和信號隔離，有助于在幾微秒內(nèi)管理電動汽車動力總成系統(tǒng)中的多千伏級隔離。這些新器件可提供業(yè)界出色的可靠性和更小的解決方案尺寸，同時(shí)降低高壓汽車系統(tǒng)（包括800V電動汽車）的物料清單(BOM)成本。

“如果設(shè)計(jì)初衷是在電動汽車電池管理系統(tǒng)等隔離高壓環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更高的可靠性則通常需要增加組件，這樣會導(dǎo)致車輛的尺寸、重量和成本增加。TI全新的固態(tài)繼電器產(chǎn)品系列在單一芯片中集成了電源和信號傳輸，有助于工程師在設(shè)計(jì)中省去組件，并縮小解決方案尺寸和降低成本?！盩roy表示。

具體來看，TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1具備以下優(yōu)勢——

?利用獨(dú)特的方法，全新固態(tài)繼電器系列可在一個芯片上穿過單一隔離柵傳輸功率和信號；

?該產(chǎn)品系列的集成功能可從設(shè)計(jì)中至少取消三個組件，與競爭解決方案相比，解決方案尺寸至多可減少90%，成本最多可減少50%；

?與長期使用易出故障的機(jī)電繼電器解決方案相比，TPSI3050-Q1的工作壽命可增加10倍，提供的增強(qiáng)型隔離高達(dá)5kV RMS；

?TPSI2140-Q1有助于更快地檢測高壓電池管理系統(tǒng)的故障并提升安全性，與光繼電器相比具有更高的可靠性。

Troy針對TPSI2140-Q1做了較為詳細(xì)的介紹。他表示，TPSI2140-Q1主要用于在電池管理和能源管理應(yīng)用中可靠地連接和斷開測量通道，例如隔離檢查、電池組電壓監(jiān)測、直流環(huán)節(jié)電壓監(jiān)測、接觸器監(jiān)測和端口電壓監(jiān)測?！癟I的固態(tài)繼電器產(chǎn)品組合，還集成了隔離電源、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動器的功能，可以節(jié)省成本、組件數(shù)量和電路板空間。TPSI2140-Q1更集成了高壓MOSFET，能夠進(jìn)一步節(jié)省成本和空間。”

另外，Troy也解釋了TI的固態(tài)繼電器和隔離柵極驅(qū)動的區(qū)別。固態(tài)繼電器是為低頻開關(guān)而設(shè)計(jì)的。雖然SSR可以在千赫茲范圍內(nèi)切換，但它們并非針對高頻路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如牽引逆變器中的半橋功率級IGBT，隔離式柵極驅(qū)動器更適合這些應(yīng)用。而固態(tài)繼電器更適合開關(guān)頻率較低的斷開/連接負(fù)載開關(guān)應(yīng)用。

其他新品：增強(qiáng)型隔離式比較器和集成變壓器大功率工業(yè)和汽車應(yīng)用對提升系統(tǒng)彈性的需求也正在增加，設(shè)計(jì)人員需要開發(fā)可更有效容錯的高壓系統(tǒng)。TI全新增強(qiáng)型隔離式比較器AMC23C12，為業(yè)界提供了超小的解決方案，可實(shí)現(xiàn)隔離式雙向過流、過壓和過熱檢測。AMC23C12結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)比較器和穩(wěn)健的電隔離屏障，可縮小解決方案尺寸和降低成本。

 AMC23C12的亮點(diǎn)有：通過集成一個寬輸入范圍低壓降穩(wěn)壓器、一個窗口比較器和一個精密電壓基準(zhǔn)，將解決方案尺寸縮小50%；在最惡劣情況下跳變閾值精度低于3%，有助于工程師減少設(shè)計(jì)裕度，支持更小尺寸的無源器件；小于400ns的響應(yīng)時(shí)間，提供超快過流和過壓檢測，從而更好地保護(hù)系統(tǒng)；通過單個外部電阻器實(shí)現(xiàn)可調(diào)跳變閾值，可促進(jìn)不同設(shè)計(jì)重復(fù)使用。

隨著系統(tǒng)尺寸變得越來越小，其中的組件也必須縮減尺寸和間距，這也造成了更多隔離設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。于是，TI在2020年推出了集成變壓器UCC12050，這是首款使用TI集成變壓器技術(shù)開發(fā)的器件，縮小了隔離式電源傳輸使其可納入IC尺寸的封裝中，實(shí)現(xiàn)了高密度隔離式直流/直流電源轉(zhuǎn)換，且能保持低EMI和高可靠性。據(jù)了解，該器件適用于工業(yè)運(yùn)輸電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和醫(yī)療設(shè)備。

 到2021年，TI的集成變壓器有了新進(jìn)展——適用于電動汽車、混合動力電動汽車、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和并網(wǎng)逆變器的UCC14240-Q1發(fā)布，這是一款具備業(yè)內(nèi)尺寸超小且精度超高的1.5W隔離式直流/直流偏置電源模塊。UCC14240-Q1帶有集成變壓器的汽車類SPI可編程柵極驅(qū)動器和偏置電源參考設(shè)計(jì)，是適用牽引逆變器和車載充電器中電源開關(guān)的隔離式偏置電源和隔離式柵極驅(qū)動器。

UCC14240-Q1的特性有：為牽引逆變器中大功率碳化硅開關(guān)提供隔離式偏置和隔離式驅(qū)動提供經(jīng)過測試的設(shè)計(jì)；簡化駕駛員高級保護(hù)的功能安全認(rèn)證；支持在800V動力總成中使用高隔離3kV RMS；單個IC上的+15V/-5V完全隔離轉(zhuǎn)換。

小結(jié)

伴隨市場對電池系統(tǒng)應(yīng)用要求的進(jìn)一步提升，TI在汽車隔離方面不斷增加的產(chǎn)品線以更經(jīng)濟(jì)、更好的新方式應(yīng)對隔離挑戰(zhàn)。截至目前，TI已經(jīng)在隔離領(lǐng)域推出了數(shù)字隔離器、隔離式ADC、隔離式放大器、隔離式接口IC、隔離式柵極驅(qū)動器、適用于信號隔離器的電源、隔離式比較器、固態(tài)繼電器等八類產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的工作可使用在耐受極端溫度和系統(tǒng)噪聲的環(huán)境，適用于超高的工作電壓，可延長壽命并提供更大范圍的保護(hù)，助力用戶簡化設(shè)計(jì)并減少系統(tǒng)尺寸。

據(jù)透露，TI.com/SSR上已發(fā)售預(yù)量產(chǎn)的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1，可使用TPSI3050Q1EVM和TPSI2140Q1EVM評估模塊測試性能。此外，預(yù)量產(chǎn)的AMC23C12也在TI.com/SSR上發(fā)售，工程師可通過AMC23C12EVM評估模塊測試性能。

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