當變壓器進入封裝：TI IsoShield如何改寫隔離電源邊界

在電源系統(tǒng)持續(xù)演進的過程中，功率密度始終是最核心的驅(qū)動力。圍繞這一目標，行業(yè)不斷引入新拓撲結(jié)構(gòu)、第三代半導體器件，并通過更高集成度的封裝技術(shù)，將電源系統(tǒng)壓縮至更小體積。然而，還有一個長期存在的約束，即電源中的磁性器件，包括電感和變壓器。

與電感不同，變壓器不僅承擔能量傳輸功能，更關鍵的是實現(xiàn)原副邊之間的電氣隔離。這一特性決定了其在設計中必須滿足絕緣強度、爬電距離以及長期可靠性等多重要求，也使其難以像半導體器件一樣簡單通過縮放實現(xiàn)小型化。因此，在很長一段時間內(nèi)，隔離電源成為系統(tǒng)中較難進一步壓縮的產(chǎn)品。

在這一背景下，德州儀器（TI）在 APEC 上推出的 IsoShield技術(shù)，試圖從封裝層面解決這一難題。

電源模塊正在成為主流實現(xiàn)方式

相比傳統(tǒng)分立方案，電源模塊顯著降低了設計與部署復雜度。

德州儀器電源設計團隊系統(tǒng)經(jīng)理冀玉丕表示，電源模塊就是把功率器件、變壓器、電感器以及周邊控制所需要的器件集成在一個封裝之內(nèi)，節(jié)省整個布板空間，提供更高的功率密度。其高效率和小尺寸特性，非常適合空間尺寸緊湊的方案中。

這種集成不僅局限在硅上面，同時封裝技術(shù)的提升也能提高功率密度。如果從電源系統(tǒng)整體演進來看，集成并非單一路徑，而是沿著不同應用需求形成了兩條并行發(fā)展的方向。

在非隔離電源中，TI的MagPack是最新的技術(shù)，通過將電感以3D封裝方式嵌入模塊中，在縮小尺寸的同時，有助于優(yōu)化電流回路與寄生參數(shù)，從而改善 EMI 與效率表現(xiàn)。

而在隔離電源部分，TI一直以來就有集成線圈技術(shù)，如今IsoShield則通過將平面變壓器集成至封裝內(nèi)部，在滿足隔離要求的前提下實現(xiàn)系統(tǒng)小型化。

IsoShield技術(shù)是什么

如圖所示，以最新的IsoShield技術(shù)UCC34141-Q1為例，其本質(zhì)上是隔離式 DC/DC 結(jié)構(gòu)。其在初級側(cè)使用軟開關全橋轉(zhuǎn)換器，在次級側(cè)使用無源全橋整流器。中間的兩個小型集成平面變壓器就是IsoShield技術(shù)，其中一個為功率傳輸，另外一個為次級側(cè)反饋。

通過在16.5MHz至27MHz的高開關頻率下運行，器件得以顯著縮小磁性器件尺寸，并集成于16引腳 SSOP 封裝中。功率級開關頻率由具有前饋控制的輸入電壓決定。采用自適應擴頻調(diào)制 (ASSM) 來降低電磁干擾。器件會維持 ZVS 運行以降低開關功率損耗。

UCC34141-Q1 器件適用于布板空間有限且需要更多集成的應用。器件具有低厚度、低重心和輕重量特性，與使用大型大體積變壓器的系統(tǒng)相比，可提供更好的機械可靠性與抗振性能。

UCC34141-Q1采用了專用控制機制、時鐘方案和片上變壓器帶來了高效率和低輻射發(fā)射。集成變壓器可在寬溫度范圍內(nèi)提供電力輸送，同時保持 5000VRMS 隔離和 1202VRMS 連續(xù)工作電壓。變壓器的低隔離電容可提供高 CMTI，從而實現(xiàn)快速 dv/dt 開關和更高的開關頻率，同時降低噪聲。

UCC14240是TI較早推出的隔離電源產(chǎn)品，冀玉丕表示，目前最新一代的IsoShield，改進了原邊及副邊的功率器件，以及平面變壓器技術(shù)。同時在操作頻率上，IsoShield操作開關頻率超過20MHz，可極大地減少了磁性器件的要求。

如圖所示，此為UCC14240內(nèi)部原理圖，基本原理一致，不過最新的IsoShield通過一系列改進，使得尺寸更小、更薄同時隔離性能也更強。（UCC34141-Q1為5.85mm × 7.50mm封裝尺寸，UCC14240為12.8 x 10.3）

相比分立方案，尺寸最多可縮小70%。

目前TI的集成變壓器隔離電源產(chǎn)品組合

偏置電源：從輔助模塊到關鍵約束

TI的隔離電源模塊主要為牽引逆變器電機驅(qū)動、車載充電器 (OBC)、服務器通信電源整流器、工業(yè)電機驅(qū)動器或其他高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中 SiC 或 IGBT 功率器件的柵極驅(qū)動器供電。雖然這一部分在系統(tǒng)中功率不高，但其重要性正隨著系統(tǒng)電壓與開關速度的提升而不斷增強。

偏置電源需要為柵極驅(qū)動器、微控制器及傳感器提供穩(wěn)定供電，其性能直接影響功率器件的開關行為。在高壓系統(tǒng)中，尤其是采用 SiC 與 GaN 器件時，偏置電源不僅需要具備更高隔離能力，還需要在高 dv/dt 環(huán)境下保持穩(wěn)定，這對其 CMTI 提出了更高要求。

從技術(shù)路徑來看，常用的拓撲包括反激式、推挽式、LLC 諧振和集成變壓器模塊，每種拓撲都具有特定的優(yōu)勢，但同時也存在各種權(quán)衡和挑戰(zhàn)。拓撲的選擇在很大程度上取決于隔離式輔助電源的整體架構(gòu)。不同的 Si、SiC、GaN、IGBT 開關需要不同的輸入電壓范圍來提供柵源電壓。

另外，還有一類偏置電源是高壓隔離式偏置電源，主要功能是在低電壓軌失效的情況下提供冗余配置，提升系統(tǒng)的功能安全。

TI擁有全套的隔離偏置電源方案，包括低壓主偏置以及高壓冗余偏置。

冀玉丕詳解了TI在低壓隔離偏置上的演進。

如圖所示，包括最早的UCC2803反激DC/DC，再到UCC25800 LLC拓撲，以及之后的UCC14240和如今UCC34141集成變壓器的隔離DC/DC電源模塊，整個系統(tǒng)BOM數(shù)量、尺寸、高度、重量都是不斷縮小。

當然受到尺寸所限，功率只有1.5W-2W之間，因此只適合分布式架構(gòu)，而UCC25800等大功率電源方案可應用于半分布式架構(gòu)，而對于集中式方案，TI也有相應的解決方案。

同樣，對于高壓冗余隔離偏置電源，TI也提供了拓撲及解決方案。

高壓冗余隔離偏置電源

在決定要使用哪種類型的架構(gòu)和拓撲時，設計復雜性、功能安全要求和成本是主要考量因素，需要客戶根據(jù)自己實際應用需求進行選擇。

高壓、高密度與高隔離的共同需求

從應用角度來看，無論是電動汽車還是數(shù)據(jù)中心，隔離電源的需求都在同步增強。

在電動汽車中，OBC、高壓DC/DC、電機驅(qū)動以及電池系統(tǒng)的功率器件均需要偏置電源。隨著系統(tǒng)向更高電壓等級與更高開關頻率發(fā)展，對偏置電源的小型化、隔離能力以及抗干擾能力提出更高要求。IsoShield 所提供的高集成度方案，有助于降低系統(tǒng)體積與重量，并提升整體效率。

在數(shù)據(jù)中心中，隨著 AI 算力需求增長，電源系統(tǒng)正向更高功率密度與更高電壓架構(gòu)（如800V）演進，AC/DC與DC/DC都在邁向高電壓軌，同時包括熱插拔等系統(tǒng)也在朝向高壓演進，隔離電源同樣不可或缺。

尤其是隨著第三代半導體在這些功率變換應用中的需求越來越高，需要偏置電源提供更強的CMTI及EMI性能，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。

不斷突破電源功率密度

從電感集成到變壓器集成，TI正在不斷推動電源功率密度提升，將原本依賴板級實現(xiàn)的關鍵功能進一步向封裝內(nèi)部收斂，從模塊走向更高集成度，甚至逐步接近芯片化的實現(xiàn)形態(tài)。

正如TI 高壓產(chǎn)品副總裁兼總經(jīng)理 Kannan Soundarapandian 表示：“封裝創(chuàng)新正在革新電源行業(yè)，而電源模塊正處于這場變革的前沿。”

來源：電子工程世界（EEWorld） 作者：冀凱