隔离在我们身边无处不在，无论是个人电子产品、汽车，还是智能电网、工厂自动化......在需确保系统稳健可靠运行的场合都需要隔离。隔离如此重要主要是源于人们的生活离不开高电压，为了更加经济高效地输电，高压输电成为关键，隔离技术则是高压环境中守护安全的重中之重。

隔离技术面临新的挑战

传统的机电继电器 (EMR) 在高压开关应用中很常见。EMR使用电磁力来机械地打开和关闭触点，具有极低的导通电阻，触点本质上是金属对金属的连接。EMR需要在开关速度和可靠性方面权衡取舍。继电器内部的活动器件是一个限制因素，开关速度通常在5ms到15ms范围内。随着时间的推移和使用，EMR可能会出现诸如拱起、颤动和焊接闭合等故障。

光继电器是对传统 EMR 的改进，不含有动触点，相比机械继电器而言具有更长久的可靠性。但有设计注意事项，例如对可实现的功率传输的限制以及内部LED的老化。此外，光继电器需要外部限流电阻器，并且通常使用额外的场效应晶体管 (FET) 来管理LED的开或关状态。

在新一代的汽车和工业系统中，随着应用需求的不断提高，光耦隔离器已经难满足新的隔离挑战。

如今电动汽车呈现出爆发式增长，高压电池组作为电动汽车的一项基本赋能技术，能够让牵引逆变器、传动系和其他电子器件运行，并产生启动汽车所需的电能。随着新一代电动汽车从 400V 电池系统过渡到800V 电池系统，需要通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件（例如电机）之间的安全通信。

与此同时，可再生能源变得越来越重要，支持和赋能可再生能源可持续发展是大势所趋。可再生能源最基本的原则之一就是尽可能降低能源损失。太阳能发电系统是将能量从太阳能转换成电网中使用的交流电，从而利用可再生能源发电。基于高效和成本效益并充分利用可再生能源的追求，要尽可能降低能源损失，需要进行高压配电，因此必须进行隔离。而电网基础设施、机器人和电机控制等高压工业电源对隔离技术也有着新的要求：

一是针对可能损坏设备或伤害人身安全的高压浪涌提供保护；

二是互连时如涉及较大的接地电位差 (GPD)，则可省去接地环路；

三是安全地与电机驱动系统中的高侧组件通信；

四是在共模瞬态事件期间保持数据完整性。

德州仪器(TI)电源开关、接口和照明部门副总裁兼总经理Troy Coleman表示，TI深耕隔离领域近25年，特别是为高压系统开发隔离制造技术和集成电路。从推出业内先进的SiO2电容隔离器，到发布和认证多千伏级产品，再到几百万小时的可靠性测试和投资开发300mm制造领域的隔离技术，TI不断加快创新并扩展产品系列，提供在业内具有超高可靠性的全新隔离产品，同时降低系统成本和布板空间，解决客户较为复杂的设计挑战。

TI在隔离领域的创新（图源：TI公司）

      业内先进的三类隔离器件

针对机械继电器具有易磨损、温度依赖性、体积大且价格不菲等缺点，TI认为可以通过半导体解决方案来取代机械继电器，Troy Coleman表示，这也是助力推动电源发展趋势和安全可靠地生产更多电动汽车的技术之一。

对此，TI近期推出了三类全新的隔离产品：一类是固态继电器，包括TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1两个产品；一类是隔离式比较器 AMC23C12；一类是隔离式偏置电源，包括 UCC12050 和 UCC14240-Q1。

      ·TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1

电容式和电感式隔离固态继电器 (SSR) 具有性能和成本优势，并且适合不同级别的隔离（无论是基础型还是增强型）。

TI 推出新型固态继电器（图源：TI公司）

5月10日，TI推出了完全集成电源和信号隔离功能的固态继电器TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1，有助于在工业和汽车系统中实现多千伏级隔离。产品可提供业内出色的可靠性，帮助提高电动汽车 (EV) 的安全性；同时还支持超小尺寸的解决方案，降低动力总成和 800V 电池管理系统的物料清单 (BOM) 成本。

与EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔离式开关和TPSI3050-Q1隔离式驱动器具有更高的可靠性和更长的使用寿命，因为它们不会随着时间的推移而出现机械性能变差的情况。因此，SSR的寿命可靠性是传统EMR的10倍。TI的SSR还可以在几微秒内进行切换，比EMR快几个数量级（通常需要数毫秒）。

由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通过单个隔离栅集成了电源和信号传输，因此无需二次偏置电源，从而可以实现减小解决方案尺寸。

与传统光继电器和光耦合器相比，TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有优势。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性优于光继电器，因为不存在LED老化情况。无需外部控制电路，因为逻辑电平输入可以直接驱动系统。

表 1：现有开关解决方案的比较情况

“TI在隔离技术领域深耕多年，通过在隔离技术中集成更多功能，能够实现固态继电器解决方案，帮助客户降低复杂性，并保持电动汽车等隔离环境所需的安全性，甚至更轻松地过渡到 800V 技术。”Troy Coleman进一步表示，“这些新器件不仅将电源和信号传输集成到了单一芯片，还提供额外的功能和灵活性，使设计人员能从设计中至少省去三个元件。与现今市场中的机电继电器和固态光继电器解决方案相比，TI的解决方案尺寸和 BOM 成本可减少达 50%。”

该产品系列面向电动汽车领域，TI接下来还将提供适用于工业特定系统的解决方案。目前TI已在 其官网上发布了预量产样片。同时也公布了两种器件的大量资源，包括配套的EVM评估板，以及很多实用信息、技术文章和文档。

       · AMC23C12

针对大功率工业系统（例如电机驱动器和光伏逆变器，以及电动汽车充电器、牵引逆变器、车载充电器和直流/直流转换器等汽车系统）的快速故障检测需求，TI 推出了全新的增强型隔离式比较器 AMC23C12。它是业内超小型的解决方案，可实现隔离式双向过流、过压和过热检测，有助于快速检测各种故障事件，帮助设计人员开发具有更高容错能力的高压系统。该器件还结合了标准比较器功能与稳健的电隔离栅，可缩小整个系统尺寸并降低成本。

AMC23C12 的突出优势在于：

（1）集成了一个宽输入范围低压降稳压器、一个窗口比较器和一个精密电压基准，所有功能集成在增强型隔离式 8 引脚 SLIC 封装内，与分立式方案相比，将解决方案尺寸缩小50%。

（2）在最恶劣情况下跳变阈值精度低于3%，有助于工程师减少设计裕度，支持更小尺寸的无源器件。

（3）小于 400ns 的响应时间，提供超快过流和过压检测，从而更好地保护系统。

（4）通过单个外部电阻器实现可调跳变阈值，可促进不同设计重复使用。

该器件也处于预量产阶段，并已在 TI官网上开放订购。TI同时提供软件设计资源、评估模块、技术文章和数据表等内容，为设计人员提供参考。

      ·UCC12050 和 UCC14240-Q1

随着工业系统对隔离技术的要求越来越高，除了隔离，还需要提供高功率密度和低EMI，从而提高产品的效率并简化合规性。对于电源设计人员而言，在越来越小的空间内提供更多功率的需求仍是主要的电源趋势，随着汽车和各种不同应用具有越来越多的功能，这一需求也对 EMI 带来了挑战。

针对设计人员面临的隔离和 EMI 的双重挑战，TI开发出了突破性的集成变压器技术，仅指尖大小的UCC12050 和 UCC14240-Q1隔离式偏置电源，能在 IC 尺寸的封装中实现隔离式功率传输。

TI 集成变压器技术（图源：TI公司）

UCC12050 是 TI于2020 年推出的器件，利用集成变压器技术，让客户能够将其解决方案尺寸缩小 80% 以上。此外，UCC12050 的效率为 50%，功率密度是同类隔离电源模块的两倍。它采用新型架构，功率约 0.5W，并且可靠性更高、BOM 更小，并简化了电路板布局布线。

UCC14240-Q1 是TI在2021年新推出的器件，是该产品系列中的最新器件，同样利用了TI的专有集成变压器技术。此外，UCC14240-Q1 是业内尺寸超小、精度超高的 1.5W 隔离式直流/直流偏置电源模块。利用这款器件，系统设计工程师可以将性能、集成和功率密度提高到新水平，它简单、易于使用，可加快上市速度。

TI提供了带有集成变压器的汽车类 SPI 可编程栅极驱动器和偏置电源参考设计，可为牵引逆变器中大功率碳化硅开关提供隔离式偏置和隔离式驱动提供经过测试的设计；可简化驾驶员高级保护的功能安全认证；支持在 800V 动力总成中使用高隔离 3kV RMS；提供单个 IC 上的 +15V/-5V 完全隔离转换。

不难看出，TI正在以多种方式支持汽车平台向800V过渡。电源管理设计挑战绕不过低EMI、功率密度、低静态电流、低噪声和隔离，800V系统亦是如此。TI在固态继电器方面，将隔离集成到更小体积的封装，实现更高的功率密度，并进一步降低静态电流，以节省电池寿命；集成隔离的DC/DC转换器方面，通过减少重量、尺寸和提高800V电动汽车的效率以提高功率密度。

针对TI如何突破小尺寸封装挑战，Troy Coleman表示：“最大的挑战是将电源、信号、栅极驱动、场效应管等如此多的功能集成到单个封装中，与此同时，还必须保证高电压的爬电距离和隔离等级。TI通过可靠的测试方法，以及在硅与封装领域的创新解决方案可以解决这些问题。”