未来AC/DC电源转换的基本构建模块

　　电容隔离是过去十年开发的一种成熟解决方案，用于取代信号隔离器、隔离式栅极驱动器、隔离式收发器和其他应用中的光耦合器1.然而，使用容性隔离来取代离线适配器中的光耦合器的潜力往往被忽视。本文解释了为什么电容隔离可以成为未来AC/DC电源转换的基本构建模块，它如何超越其他隔离技术的性能，以及它可以为最终应用带来的独特优势。

　　为什么隔离和隔离类型

　　本文中提到的“隔离”也指电流隔离，用于隔离电气系统的功能部分，以防止直流电在它们之间流动。对于输入端可能是危险高压的电源，输入必须与控制端或输出端（可能包括人类可接近的端子）进行电气隔离，并具有足够的安全距离。如果控制端发生任何故障，隔离栅会阻止高压到达用户并造成灾难性后果。有关电流隔离的更详细说明，请参见参考文献1。

　　例如，与电动汽车一样，为动力传动系统供电的高压电池通过所有子系统的各种隔离链路与低压电子设备隔离。另一个例子是，UL要求AC/DC电池充电器提供隔离保护，因为输出通常由用户访问。但是，物联网设备可能不需要与交流隔离，因为此类设备的AC/DC部分在正常运行期间与最终用户没有直接接触。

　　电流隔离栅基于光学、磁性或电容隔离（见图1）2,3.光学技术基于发光二极管（LED），广泛用于输出反馈的AC/DC转换。然而，光耦合器的可靠性会降低，因为这些器件会受到老化、温度漂移和电流增益变化问题的影响。有时，需要第二个光耦合器来实现额外的过压保护（OVP），并占用相当多的PCB空间。在参考文献5中，很容易看出两个大型光耦合器在小型4W Apple适配器上占用了多少空间4.

　　磁隔离可以使用耦合电感器实现。AC/DC转换中磁隔离的一种常用物理形式是使用特殊的工具引线框架在初级侧和次级侧之间形成磁链路。根据参考文献1，磁隔离对电磁干扰很敏感，并且在某些应用中，例如HVAC系统和涉及电机的工厂自动化，高磁场很强且普遍存在。

　　对于通过在各芯片顶部添加电容隔离栅以串联连接来实现的电容隔离，数字电路用于通过隔离栅对各种信号进行编码和解码。电容隔离器无法传递直流信号，因此它本质上是隔离的正确选择，这就是为什么它广泛用于敏感和重要的应用，如电信和工业电源。电容隔离器不易受到磁噪声的影响，但可以保持高数据速率并保持低功耗。容性隔离也可以双向传输信号，而光耦合器是单向的。基准电压源3引发了对容性耦合的一些担忧，但采用专有设计方法，通过隔离栅的容性电流和高dV/dt共噪声不会影响正常工作中的反激式控制器。

　　适配器电容隔离的主要优势

　　适配器容性隔离的第一个优点是反激式转换器的完全二次控制。

　　对于USB供电快速充电器，制造商预计将在其现有的适配器产品组合中增加更高的功率，但仍在合理的小尺寸内。这需要高频反激式控制器、次级同步整流器和高效率5.这里的挑战是以高频率保持从初级侧到次级侧的良好通信，以防止它们同时打开并导致严重问题。电容隔离为此提供了简单的解决方案。如果在次级侧产生反激控制，控制器可以检测同步整流器（SR）的关断，并通过电容隔离链路快速开启反激式。由于从次级侧到初级侧的传播延迟非常短，因此提供了安全操作和高频操作潜力。因此，用户拥有真正万无一失的SR解决方案，与基于光耦合器的反激式电源通常需要的单独初级和次级控制器的困难设计相比，该解决方案将完整的操作集成到单个IC中。

　　第二个优点是电容隔离比光耦合器具有更高的可靠性。根据参考文献6，容性隔离与光耦合器相比具有几个优点，如下所列6:

　　更快的传播时间和更好的参数稳定性过压和过温。

　　与光耦合器相比，故障时间（FIT）率低得多，工作温度范围扩大至-40至+125°C。隔离栅寿命也比光耦合器高几倍。器件间匹配比光耦合器采用的工艺要紧密得多。

　　容性耦合输出为低电平或高电平，没有光耦合器中常见的模糊输出状态，并且在过压和过温方面具有出色的阈值稳定性。

　　更快、更精确的定时、更低功耗的操作以及更少的内部寄生耦合，从而获得更好的CMTI。

　　电容隔离的第三个优点是小物料清单（BOM）。由于电容耦合可以集成在IC内部，因此适配器可以取代单个IC解决方案中所需的反激式控制器、SR控制器、光耦合器和电阻器/电容器（见图2）。这种一体化电容耦合反激式IC可将USB PD适配器的BOM减少~50%。

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