隔離設計一直是半導體器件設計中舉足輕重的一環(huán)，尤其是在電源管理相關設計中，隔離是在實現信號或電源交換的同時用于提供保護功能的屏障，對于高壓系統(tǒng)的安全可靠運行至關重要。電源管理的集成度越來越高，需要實現的隔離、保護功能也越來越多，可以說出色的隔離技術應用已經成為電源管理相當重要的好壞因素。

憑借在為高壓系統(tǒng)開發(fā)新的隔離制造技術和集成電路方面二十余年的經驗，德州儀器（TI）在2022年5月10日推出了新的固態(tài)繼電器產品系列，包括符合汽車標準的隔離驅動器和開關——具有集成10V柵極電源的TPSI3050-Q1隔離式開關驅動器以及TPSI2140-Q1 1400V、50mA隔離式開關，旨在通過與眾不同的設計，利用高電壓隔離實現強大而可靠的系統(tǒng)運行。新產品的面世有助于提高電動汽車的安全性，同時滿足新一代汽車和工業(yè)系統(tǒng)對于超高電壓、抗擾性以及性能方面的要求。

（圖源：TI）

汽車與工業(yè)系統(tǒng)面臨新的隔離挑戰(zhàn)

對于新一代的汽車系統(tǒng)來說，新一代電動汽車從400V電池系統(tǒng)過渡到800V電池系統(tǒng)是一個大系統(tǒng)工程。自去年開始，海內外眾多車企都在布局800V平臺，但800V高壓平臺的落地并不是那么容易，其中涉及從系統(tǒng)部件，到整車，以及基礎設施的整體配合變革，上至半導體元器件、電池模組安全性提升，下至車、樁、充電網絡的聯動升級。從隔離技術的角度來看，其中的挑戰(zhàn)在于如何通過隔離來實現敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件（例如電機）之間的安全通信。

對于電網基礎設施、機器人和電機控制等高壓工業(yè)應用來說，電源相關的隔離同樣需要實現安全地與驅動系統(tǒng)中的高側組件進行通信，在共模瞬態(tài)事件器件保持數據完整性。

“高壓系統(tǒng)正變得越來越普遍，尤其是隨著電動汽車的普及。在 TI，我們非常專注于為系統(tǒng)設計人員尋找解決復雜隔離難題的新方法，例如在行業(yè)向 800V 電池過渡時確保車輛可靠和安全運行，同時減小解決方案尺寸和降低成本，”德州儀器（TI）電源開關、接口和照明副總裁兼總經理Troy Coleman說?！巴ㄟ^在隔離技術中集成了更多功能，我們的新型固態(tài)繼電器使工程師能夠減小高壓電源的尺寸并降低其成本和復雜性，同時保障下一代汽車和工業(yè)系統(tǒng)的安全性。”

TI全新固態(tài)繼電器如何推進隔離技術的發(fā)展？

從低壓信號安全地控制高壓系統(tǒng)（如隔離電阻監(jiān)測中的情況）的能力是開發(fā)許多汽車系統(tǒng)所必需的。盡管機電式繼電器和接觸器技術多年來有所改進，但對于設計人員來說，要實現其壽命可靠性和快速開關速度以及低噪聲、沖擊振動和功耗目標，仍然具有挑戰(zhàn)性。

電容式和電感式隔離固態(tài)繼電器（SSR）具有性能和成本的雙重優(yōu)勢，并且適合不同級別的隔離（無論是基礎型還是增強型）。TI全新的固態(tài)繼電器產品系列在單一芯片中集成了電源和信號傳輸，有助于工程師在設計中省去組件，并縮小解決方案尺寸和降低成本。因為不會隨著時間的推移而出現機械性能變差的情況，其壽命可靠性是傳統(tǒng)EMR的10倍。TI的固態(tài)繼電器產品系列通過集成電源和信號隔離淘汰移動器件實現了更高的系統(tǒng)可靠性。

（圖源：TI）

本次新發(fā)布的固態(tài)繼電器將電源和信號傳輸集成在單一芯片中，同時還從其設計中消除了至少三個元器件，從而顯著減小了解決方案尺寸，同時將BOM成本降低了多達50%。與機械繼電器解決方案相比，TPSI3050-Q1通過集成隔離電源、數字隔離器和柵極驅動器的功能，可將解決方案尺寸縮小多達90%。與傳統(tǒng)固態(tài)光繼電器解決方案相比，TPSI2140-Q1通過集成信號FET和電阻器并消除了對舌簧繼電器的需求，可將解決方案尺寸減小多達50%。

（現有開關解決方案比較，來源：TI）

新型固態(tài)繼電器可以在幾微秒內通過單個隔離柵斷開和連接負載（機電繼電器需要數毫秒），從而實現高壓汽車系統(tǒng)的更安全運行。TPSI3050-Q1提供高達5kVRMS的增強型隔離，TPSI2140-Q1提供高達3.75kVRMS的基礎型隔離，使其能夠實現比固態(tài)光繼電器高四倍以上的時間相關電介質擊穿可靠性。兩款新品都通過集成隔離技術實現了更高的系統(tǒng)可靠性。

寫在最后

用更低的成本，更小的尺寸來實現更可靠的安全性，更高的介電強度、更強大的性能，TPSI3050-Q1隔離式開關驅動器以及TPSI2140-Q1隔離式開關為汽車應用以及工業(yè)應用提供了這個可能。