Research on On Chip Isolation Power


1. 什么是片上隔离电源?

在介绍片上隔离电源之前,我们首先介绍什么是隔离电源.在生活当中我们常见的,能与人体直接接触的大多数AC-DC电源均是隔离电源,其常见的基本拓扑结构为反激(Flyback)变换器,其基本的拓扑如图1所示

图1 ACF(有源钳位反激)拓扑图[1]

对于反激变换器的基本原理在此不加以赘述,我们可以发现的一点是,其输出电压Vo是直接施加在输出电容上的,而输出电容的下极板并不与输入功率的GND连接,也就是其输入输出是不共地的,是依赖变压器实现隔离的.那么对于拥有这种特性的电源来说,我们就可以称之为隔离电源.一般而言,大多数的隔离电源都需要一个变压器实现输入输出的隔离,当然也存在一些类似开关电容实现隔离的方式.

下面的问题是,我们为什么需要一个隔离电源.这个问题同样可以引申到我们为什么不能直接通过一个Buck来实现110VAC到48VDC的变换器这样一个问题.对于这个问题,一般的想法是压差过大,例如220VAC转5VDC,整流后311VDC的电压到5V,接近2%的变比使得Buck的导通时间非常的离谱,所以肯定不能用.但是对于110VAC到48VDC,整流后的电压为155VDC,这样一个电压到48V其变比仅为30%左右,是一个非常合理的变比.然而我们能够发现的是,即使是这样的变比也没有哪个成熟的工业产品选择非隔离的Buck,而是小功率下反激,大功率下正激,更大的功率下可能选择LLC或其他的软开关拓扑.

为了回答这个问题呢,起始很简单,如果我们让输出与零线共地的话,那么对于两线的插头,在你插反的情况下,那么你的输出的GND是实际的火线.那么就是非常危险的.第二点,对于瞬态的电压冲击,非隔离的拓扑很难解决冲击到输出侧的问题,因此我们也会想要选择隔离的变换器.

那么对于DC-DC变换器来说,我们想要隔离往往是因为被隔离侧是我们的MCU或DSP芯片,其耐压值相对较低,如果目标控制600VDC的母线电压,那么使用隔离防止驱动芯片穿掉然后冲到DSP上就显得相当的重要了.同时,对于Vienna PFC拓扑,如图2所示,我们可以发现,其双向电流开关的结构需要浮地的电源进行驱动,因此也会需要隔离电源

图2 三相Vienna PFC拓扑图[2]

同时,对于电源的隔离还能够带来更强的抗干扰能力

2. 业界主流的隔离电源产品

目前来说,业界主流的小功率(1W-5W)DC-DC隔离电源产品有两种主要的设计思路.一种是SiP封装,一种是看似单片集成的SiP封装.

首先是常见的SiP封装,如图3所示,生产这种模块的厂家包括金升阳,K-CUT等多家模块化电源厂商,其特点是相对来说效率较高(85%),体积较小,集成度远高于传统的板上单独设计一款隔离电源,千pcs单价在1元左右,功率等级一般在1W-2W.

图3 金升阳隔离电源模块[3]

其次,是各家半导体公司推出的片上隔离电源产品,经过调研目前国际上有如下几家公司有着相关产品:

2.1 Analog Device(ADI)

ADI的片上隔离电源产品称为isoPower®,采用核心技术为iCoupler®片上变压器.该系列包括三种产品:

2.1.1 片外变压器(ADuM系列)

第一种为集成隔离反馈的隔离电源控制器,例如ADuM447X与ADuM347X系列.其典型应用图如图4所示

图4. ADuM4070[4]典型电路

这种隔离电源采用片外变压器的方案,将控制和反馈纳入到片内,利用iCoupler®片内变压器反馈电压值进行控制,一般采用这种方案的变换器,其开关频率在200kHz到1MHz,最大输出电流为200mA,效率可以达到75%.采用外部变压器的方案的问题为,其需要的PCB面积并不显著的小,典型的面积如图5所示

图5. ADuM4070典型PCB面积[5]

2.1.2 uModule集成(LTM系列)

LTM系列一般为封装变压器与数字隔离器的小模块,常见的为包括USB隔离,CAN隔离等功能的隔离器,其技术本质与2.1.1所阐述的片外变压器没有本质区别,在此不再赘述.

但是不可否认的是,LTM的集成方式使得其板面积能够进一步的缩小,带来更高的集成度.

2.1.3 单片集成隔离电源(ADuM系列)

这一系列一般而言为集成片内隔离变压器的数字隔离IC,典型为ADuM64XX系列.该系列集成了内置的变压器,并能够实现较低的EMI.其工作电流最大为100mA,峰值效率可达34%,是一个相当低的效率,但是由于大多数的该应用场景下并不强调效率,因此也是一个可以接受的状态.

图6. ADuM64XX系列框图[6]

2.2 Texas Instruments(TI)

TI关于隔离电源的产品在中小功率包括两种,其一是隔离变压器驱动器,这种驱动器基本以开环的形式产生驱动波形去驱动变压器,与传统的隔离电源并无不同,可以做到较高的效率,其二为内置变压器的隔离电源产品.

2.2.1 隔离变压器驱动器

该系列产品包括SN65XX系列,开关频率数百kHz,外置变压器使得其能够耐受相对来说较大的电流,往往可以达到300mA,其基本应用如图7所示.这种变换器有着相对来说较高的效率,可以达到86%左右的峰值效率(几十mA的输出下).

图7. SN6501典型应用图[7]

2.2.2 带有集成隔离电源的信号隔离器

这个系列包括TI的ISO784X系列,采用的是磁隔离电源+容隔离信号技术,其典型应用电路如图8所示.该系列的效率较高,在重载下往往能达到50%左右的效率,同时其最大也能供给100余mA的电流,与isoPower®相比优势较为突出.

图8. ISO784X内部框图[8]

2.2.3 隔离式模块

该系列包括TI的DCPA1系列与UCC14240等产品.该系列产品年代较为久远,包括了最早的一批开环隔离加LDO的产品.

片上隔离电源技术最早的一代是采用推挽拓扑设计的开环式变换器,其框图如图9所示,采用隔离的推挽拓扑进行功率变换,有多路同步的能力,并有过温保护等功能.其功率等级为1W,峰值效率为85%.

图9 DCPA1系列隔离非稳压[11]

之后由于稳压的需要,发展出了隔离+LDO的反馈形式,其典型产品为DCR01系列,该系列的系统框图如图10所示,其功率等级为1W,峰值效率为68%,由于引入了LDO作为输出,其线性调整率与负载调整率得到极大的提升.但是同时损失了一定的效率.

图10 DCR01系列隔离LDO稳压[12]

而UCC12041系列隔离电源模块则类似MPS与LT的产品,但是没有采用到原边的反馈,而是采用了在副边侧进行控制,其原理图如图11所示.其功率等级为500mW,峰值效率为60%.线性调整率与负载调整率与MPS的Semi-Closed环路类似.

图11 UCC12041框图[13]

2.3 Monolithic Power System(MPS)

MPS是全球首家制作出SiP电源系统的公司,其公司亦生产了隔离电源产品.

2.3.1 隔离DC-DC电源模块

该系列包括MID06W与MID1W两个系列,分别为1W与0.6W的输出功率.0.6W采用Regulated结构,其线性调整率与负载调整率分别为0.1%与0.2%.而1W的版本采用Semi-Regulated结构,类似半开环的结构,其线性调整率与负载调整率分别为1.5%与0.4%.满载下效率为54%.

2.4 Maxim

美信的小功率隔离电源方案全部为外置变压器的隔离电源,其包括无闭环的纯开环隔离变压器驱动器与闭环的小规模内置开关管的Flyback控制器.其磁功率隔离的版本没啥技术两点,但是值得一提的是,在其AN4553当中提到了一种容隔离的电源.

2.4.1 MAX256隔离变压器驱动器的容隔离电源

MAX256是一款隔离变压器驱动器,其有着60kHz到1MHz的固定开关频率,典型的应用电路如图9所示,大多数的隔离变压器驱动器都可以这样使用.然而,这种方式的驱动变压器依然存在着磁性元件体积较大,板面积不会很小的问题.

图10 MAX256典型应用电路[9]

而AN4553[10]当中,提出了一种容隔离的变换器,其应用电路如图10所示,这种电路的特点是有很小的体积,但是容隔离的电压相对来说不会很高,绝缘效果可能较差.

图11 容隔离MAX256[10]

2.5 Novosns(纳芯微)

2.5.1 带有片上隔离电源的数字隔离器

NSiP884X与NSiP894X系列是纳芯微的带有片上隔离电源的数字隔离器产品,其拥有100mA的最大输出负载电流.均集成了数字隔离器作为其主要功能.拥有最大50%的效率.

2.6 市场调研总结

经过调研,我们如果主要关注片上集成变压器的产品,主要有ADI,TI,MPS和Novosns四家公司拥有相关的产品,对这些产品进行横向比较,其对比表格如表1所示,表格效率参考5V-5V变换情况下效率,输出电流也以该条件下为准. Fab Series Vin Vout Iout EffPeak fSW Open/Close Feedback CMTI Package
TI ISO784X 3V-5V 3V-5V 130mA 53% Unknown Close CapIsolationPWM 100kV/us SOP:7.5x10.5x2.65
TI DCPA1 4.5V-5.5V Fixed 5V-15V 200mA 80% 425kHz Open No Feedback 50V/ms DIP:9.55x20.32x5.33
TI DCR01 Fixed 5V ±10% Fixed 3.3V&5V 200mA 68% 400kHz Iso Open LDO 500V/s SOP:7.5x16.51x2.65
TI UCC12041 4.5V-5.5V 5V or 3.3V 100mA 60% 8MHz Iso Open Output Regulated 100kV/us SOP:7.5x10.1x2.65
ADI ADuM641X 3V-5V 3V-5V 150mA 30% 125MHz Close MagIsolationPWM 100kV/us SOP:5.3x8.2x2.0
MPS MID1W0505A 4.5V-5.5V 5V 200mA 54% Unknown Semi-Closed Unknown Unknown SOP:7.5x10.5x2.65
MPS MID06W0505A 4.5V-5.5V 5V 120mA 53% Unknown Closed Unknown Unknown SOP:7.5x10.5x2.65
Novosns NSiP8840 3.3V-5V 3.3V-5V 100mA 50% Unknown Closed CapIsolationPWM 150kV/us SOP:7.5x10.5x2.65
表1 业界主要片上隔离电源产品横向对比

可以看到,目前业界的大多数片上隔离电源产品除去MPS与TI之外基本没有单片出货的,大多数是集成在数字隔离器当中出货.其次是反馈方式,能够调查到的反馈方式基本以PWM信号反馈,利用本身就有的隔离器将信号传回原边这种方式进行反馈.这种反馈方式是相当合理的,从技术路径上说,不需要较为复杂的模拟信号隔离技术,使用数字信号进行反馈可以直接使用其已有的成熟的数字隔离技术,相对来说简单而可靠.

在这里多提一嘴模拟信号隔离技术的难度,由于模拟信号的特殊性,目前来说主要以光隔离(光耦隔离)为主,但是光隔离当中的发光器件与传统的Si工艺又很难兼容,因此曾经模拟信号隔离是很难集成的.但是随着模拟技术的发展,尤其是Sigma-Delta技术的提出,使得构建低功耗小面积的AD与DA成为了可能,也就出现了片上AD采集,磁隔离或容隔离数据传输,片上DA还原波形这种模拟信号隔离的技术,这种技术的典型产品包括AMC1311与AMC1301等产品,其使用较为方便.

3. 片上隔离电源的技术路径

在2.当中我们主要分析了业界的产品,在本节我们会分析其深入的技术路线及发展.
首先关于隔离电源技术我们可以将其分为三个部分,一个是能量传输一个是反馈环路,以及最后的功率拓扑,而功率拓扑.我们分别对这两个部分的技术进行分析

3.1 能量传输技术

能量传输技术基本上可以分为容隔离能量传输与变压器隔离能量传输,其中,TI的Ma Dongsheng等人在ISSCC2017发表的成果[16]提出了一种利用谐振谐波耦合的方式进行能量传输的容隔离片上隔离电源,其具体的工作原理后续的文章会进行分析.这种容隔离的技术较为独特,其控制方法亦与常见的变压器隔离有较大的不同.

图12 ISSCC2017 25.1[16]由TI提出的容隔离片上电源

3.1.1 变压器隔离技术

而变压器隔离技术则是相对来说常用的隔离技术,其目前可以见到的主流方案为Air-Core Transformer,与少数的Integrated Magnetic-Core Transformer[14].这两种方案目前来说用的较多的为Air-Core Transformer,这种方案能给较好的与传统的Si工艺兼容,在工艺上来说较为简单,而集成磁芯的变压器技术则对封装技术带来了更高的要求.一种典型的Air-Core Transformer如图12所示,可以看到的是,ADI的Power Coil与Data Coil采用了类似的面积和不同的线圈粗细,通过这种方式保证了数据部分能够以更高的带宽传输,而同时功率部分有着一定的效率.

图13 ADI隔离电源线圈[15]

而同样ADI在ISSCC2019的论文当中介绍了一种带有磁芯的片上变压器,其结构如图13所示,可以看到ADI将磁材夹到了硅内部,这种工艺相当的离谱.其线圈在几十兆赫兹有着较高的Q值.

图14 ADI集成磁材隔离变压器[14]

关于磁集成技术有着一些很神奇的方向,我们首先抛弃磁材的集成单独考虑对Air-Core Transformer的集成.对于这种变压器而言,由于大多数的采用的是谐振输能这种形式,因此线圈与线圈之间的耦合度是及其重要的一个参数.

目前能够看到的三种常见的线圈饶法一种是类似ADI的两个平面分别绕两个线圈[15],其结构如图14所示,可以看到其利用了Polyimide作为绝缘层,利用厚度为6um的金作为i导体,绝缘的厚度为20um左右的Polyimide.

图15 ADI变压器结构

另外一种形式则是类似于常见的变压器饶法,即双线并绕构建电感,一个典型的案例是来自中科大的Wu Rongxiang[17]等人在TED2015上提出的能够与硅工艺集成的结构.其结构如图16所示,这种方式在20MHz下耦合系数可以达到0.8,有着相对来说可以接收的耦合强度.

图16 双线并绕变压器结构图[17]

第三种方式则是类似ADI的有磁芯变压器的饶法,但是是采用PCB上的Wirebond作为主要的绕线,可以构建空心的电感也可以通过施加含有磁性材料的环氧树脂类实现有磁芯的变压器或电感.

图17 利用Wirebond的电感[18]

3.2 反馈环路技术

为了提高系统的电压调整率与线性调整率,我们往往希望隔离电源本身能有一定的反馈能力,来保证宽范围负载下输出电压的较小的跳动.对于这种想法,业界主流的两种反馈方法是开环DC-DC+LDO与闭环的DC-DC.

3.2.1 开环DC-DC+LDO

这种方法相当的常见,其设计难度小,只要能够将功率顺利的给输出,那么电压与负载调整率就可以靠LDO稳定,同时LDO也有一定的降低输出纹波与噪声的能力.当然,为了保证LDO的压降符合要求,往往会采用一个升压的隔离电源,这导致系统的整体效率会有所下降.

图18 ADuM5240使用LDO的隔离电源[15]

3.2.2 闭环DC-DC

闭环DC-DC的设计使得其效率可以较高,而闭环的隔离DC-DC的关键是如何将输出电压的信号输出回到输入,对于传统的板级设计而言,往往采用光耦作为隔离器件完成数据的传输,然而光耦本身的LED并不能与Si的工艺相兼容,因此需要一种新的方式来实现输出到输入的反馈

  • PWM反馈
    PWM反馈是常见的一种反馈技术,其在输出侧设计REF与三角波发生器,设计闭环补偿,在副边侧产生PWM信号反馈到输入,控制原边侧的能量传输,这种方式搭建起来相对来说较为简单,当然关于PWM隔离部分,常见的容隔离与磁隔离都能够兼容这种闭环的需要

    图19 PWM反馈闭环隔离DC-DC

    这种方式其实已经可以算是比较好的反馈方式了,实现了一个ATC(Analog-Time-Converter)的功能,实现了反馈,而且可以在这一级加入补偿直接控制环路.

    3.3 DC-AC技术

    在解决了能量用啥传过去,电压信号用啥传回来的问题之后,我们来分析DC如何变成AC的问题.目前来看,常见的几种包括自激振荡产生高频,硬开关功率传输与全桥LLC等各种拓扑.

    3.3.1 自激振荡产生高频交变

    这种方式的典型应用是来自ADI的isoPower技术,其典型的开关频率为数百兆赫兹(关于这块个人认为已经不能称之为开关了),一般而言使用交叉耦合振荡器产生信号.这种放大器的振荡原理为,MP1与MP2组成的一个负阻,MN1与MN2组成另外一个负阻,二者与L1和C1组成的谐振腔一起,产生自激振荡.

    图20 交叉耦合LC振荡器

    将L1改成耦合的变压器,那么在振荡的时候能量将会从原边侧送到副边侧,不振荡的时候就不会有能量输送,因此可以在MN1与MN2对地加入一个开关管控制其振荡与否,引入PWM的控制,实现闭环稳压.

    图21 另外一种交叉耦合振荡器的结构[19]

    图21的结构看起来可能更好,降低了损耗应该可以获得更低的开关损耗.

    3.3.2 全桥CLC

    这种拓扑也是一种较为常见的拓扑,这种拓扑利用四个开关管组成全桥,CLC作为全桥的负载,L同时作为变压器的原边电感,能够实现软开关降低损耗.(这种拓扑的经典叫法貌似是LLCC,但个人认为CLC更容易脑补一点).

    图21 全桥CLC

    3.3.3 硬开关推挽

    3.3.1与3.3.2的方式都比较适合较高的开关频率,例如3.3.1常见的频率为100MHz以上,而3.3.2的常见频率也为20MHz左右,较为原始的技术是将低频开关的推挽结构应用于片内,例如上文2.2.3当中提到的TI的隔离式电源模块,现在已经逐渐的推出市场(个人调研),很少能看到新的产品出现,其开关频率一般为数百kHz.

    3.4 AC-DC技术

    AC-DC的技术是最后一部分,这一部分的话,说难也难说容易也容易.

例如,最简单的方式是使用硅管(一般为肖特基二极管)搭建全桥整流器,这种方式较为简单,然而在低压的场景下有着相当显著的损耗.

第二种是使用MOS代替二极管实现同步整流或有源整流,例如图12当中展示的TI的副边侧,利用PMOS与NMOS作为半桥,实现同步整流,降低导通的损耗.

第三种是半同步整流,即类似Boost的结构,上半管采用二极管避免PMOS相同情况下与NMOS相比较差的综合性能与NMOS需要自举开启的问题,下管采用交叉耦合的NMOS作为开关管,实现整流,如图21所示.

关于副边整流方式的问题,是一个很值得讨论的,例如如果我们的隔离电压较高(比如高达20V),那么使用肖特基二极管带来的导通损耗就可以接收,同时能够降低我们的驱动损耗,而如果我们的开关频率较高,例如200MHz,那么MOS开关带来的损耗就不太可以接受,这个时候使用肖特基作为整流也是合理的.当然,对于电压较低,频率较低的场景下,如果输出功率较大,开关损耗可以忽略,那么似乎同步整流就变成了最好的方案.

3.5 控制策略

在此,我们忽略基于经典的推挽结构的变换器,仅仅讨论目前较新的谐振式变换器的控制策略.一般来说,对于开关频率达到几百MHz的电源来说,逐周期的传统的PWM控制方式或PFM控制方式显然是不可能的,或者说,是一定要进行一定修改的.

3.5.1 修改PWM控制策略

先来说修改PWM控制策略.对于这种策略我们可以将隔离电源的变换看成几个环节,其中最为重要的环节是功率从原边到副边与功率的环节,那么我们通过控制能量的输送与否,就可以控制副边侧电压的上升和下降.这种控制模式能够较好的与传统的PWM控制理论相兼容,仅仅修改了功率传输而已.典型产品例如ADuM的系列产品等都采用了这种控制模式,典型的框图如图19.

3.5.2 定占空比PFM控制

那么对于CLC这种与LLC类似的变换器,其输出的电压是关于频率的函数,因此我们自然可以通过PFM的方式去调控输出电压,这种控制模式的好处是对于负载较高的情况,其可以直接工作在软开关模式,可以做到相对来说较高的效率,当然,为了降低空载的静态电流,其在低负载下往往会采用PWM或者类似的Burst-Mode进行功率的输送,原理与3.5.1类似[14].

上面介绍了两种最为常见的控制策略,然而实际的使用当中这两种控制策略往往过于粗糙,一般而言,PFM控制模式会采用倍频器去达到较高的开关频率,而修改PWM控制策略则会采用类似COT或者bang-bang控制的方法来提高其瞬态响应,例如[8]当中的输出电压瞬态波形显然为较新的变频控制模式,其瞬态响应如图22所示,而ADuM的版本则更类似于传统的结构,如图23所示,其瞬态响应波形显然是一种相当传统的控制模式.

图22 ISOW7841瞬态响应波形[8]

图23 ADuM6420瞬态波形[6]

4 总结

本文主要介绍了目前片上隔离电源的发展现状于发展的态势,对比了几种典型的技术.差不多写了快一个星期的样子,还是感觉研究的不够透彻.

完成了这篇文档之后,后续会对文章当中提到的几款产品与论文进行更深入的分析,比如几种传输方式的效率会差多少?具体的隔离材料与工艺如何?控制环路的对比,尤其要关注输出的噪声与瞬态,开关瞬间共模电流会发生啥?CMTI的能力如何保证等等诸多的问题,这篇文章可以算是片上隔离电源的第一篇文章,是一个比较简单的概览,后续会对更多细节的问题进行分析与研究.

Reference

最后修改日期:2022年1月2日