当变压器进入封装：TI IsoShield如何改写隔离电源边界

在电源系统持续演进的过程中，功率密度始终是最核心的驱动力。围绕这一目标，行业不断引入新拓扑结构、第三代半导体器件，并通过更高集成度的封装技术，将电源系统压缩至更小体积。然而，还有一个长期存在的约束，即电源中的磁性器件，包括电感和变压器。

与电感不同，变压器不仅承担能量传输功能，更关键的是实现原副边之间的电气隔离。这一特性决定了其在设计中必须满足绝缘强度、爬电距离以及长期可靠性等多重要求，也使其难以像半导体器件一样简单通过缩放实现小型化。因此，在很长一段时间内，隔离电源成为系统中较难进一步压缩的产品。

在这一背景下，德州仪器（TI）在 APEC 上推出的 IsoShield技术，试图从封装层面解决这一难题。

电源模块正在成为主流实现方式

相比传统分立方案，电源模块显著降低了设计与部署复杂度。

德州仪器电源设计团队系统经理冀玉丕表示，电源模块就是把功率器件、变压器、电感器以及周边控制所需要的器件集成在一个封装之内，节省整个布板空间，提供更高的功率密度。其高效率和小尺寸特性，非常适合空间尺寸紧凑的方案中。

这种集成不仅局限在硅上面，同时封装技术的提升也能提高功率密度。如果从电源系统整体演进来看，集成并非单一路径，而是沿着不同应用需求形成了两条并行发展的方向。

在非隔离电源中，TI的MagPack是最新的技术，通过将电感以3D封装方式嵌入模块中，在缩小尺寸的同时，有助于优化电流回路与寄生参数，从而改善 EMI 与效率表现。

而在隔离电源部分，TI一直以来就有集成线圈技术，如今IsoShield则通过将平面变压器集成至封装内部，在满足隔离要求的前提下实现系统小型化。

IsoShield技术是什么

如图所示，以最新的IsoShield技术UCC34141-Q1为例，其本质上是隔离式 DC/DC 结构。其在初级侧使用软开关全桥转换器，在次级侧使用无源全桥整流器。中间的两个小型集成平面变压器就是IsoShield技术，其中一个为功率传输，另外一个为次级侧反馈。

通过在16.5MHz至27MHz的高开关频率下运行，器件得以显著缩小磁性器件尺寸，并集成于16引脚 SSOP 封装中。功率级开关频率由具有前馈控制的输入电压决定。采用自适应扩频调制 (ASSM) 来降低电磁干扰。器件会维持 ZVS 运行以降低开关功率损耗。

UCC34141-Q1 器件适用于布板空间有限且需要更多集成的应用。器件具有低厚度、低重心和轻重量特性，与使用大型大体积变压器的系统相比，可提供更好的机械可靠性与抗振性能。

UCC34141-Q1采用了专用控制机制、时钟方案和片上变压器带来了高效率和低辐射发射。集成变压器可在宽温度范围内提供电力输送，同时保持 5000VRMS 隔离和 1202VRMS 连续工作电压。变压器的低隔离电容可提供高 CMTI，从而实现快速 dv/dt 开关和更高的开关频率，同时降低噪声。

UCC14240是TI较早推出的隔离电源产品，冀玉丕表示，目前最新一代的IsoShield，改进了原边及副边的功率器件，以及平面变压器技术。同时在操作频率上，IsoShield操作开关频率超过20MHz，可极大地减少了磁性器件的要求。

如图所示，此为UCC14240内部原理图，基本原理一致，不过最新的IsoShield通过一系列改进，使得尺寸更小、更薄同时隔离性能也更强。（UCC34141-Q1为5.85mm × 7.50mm封装尺寸，UCC14240为12.8 x 10.3）

相比分立方案，尺寸最多可缩小70%。

目前TI的集成变压器隔离电源产品组合

偏置电源：从辅助模块到关键约束

TI的隔离电源模块主要为牵引逆变器电机驱动、车载充电器 (OBC)、服务器通信电源整流器、工业电机驱动器或其他高压 DC/DC 转换器中 SiC 或 IGBT 功率器件的栅极驱动器供电。虽然这一部分在系统中功率不高，但其重要性正随着系统电压与开关速度的提升而不断增强。

偏置电源需要为栅极驱动器、微控制器及传感器提供稳定供电，其性能直接影响功率器件的开关行为。在高压系统中，尤其是采用 SiC 与 GaN 器件时，偏置电源不仅需要具备更高隔离能力，还需要在高 dv/dt 环境下保持稳定，这对其 CMTI 提出了更高要求。

从技术路径来看，常用的拓扑包括反激式、推挽式、LLC 谐振和集成变压器模块，每种拓扑都具有特定的优势，但同时也存在各种权衡和挑战。拓扑的选择在很大程度上取决于隔离式辅助电源的整体架构。不同的 Si、SiC、GaN、IGBT 开关需要不同的输入电压范围来提供栅源电压。

另外，还有一类偏置电源是高压隔离式偏置电源，主要功能是在低电压轨失效的情况下提供冗余配置，提升系统的功能安全。

TI拥有全套的隔离偏置电源方案，包括低压主偏置以及高压冗余偏置。

冀玉丕详解了TI在低压隔离偏置上的演进。

如图所示，包括最早的UCC2803反激DC/DC，再到UCC25800 LLC拓扑，以及之后的UCC14240和如今UCC34141集成变压器的隔离DC/DC电源模块，整个系统BOM数量、尺寸、高度、重量都是不断缩小。

当然受到尺寸所限，功率只有1.5W-2W之间，因此只适合分布式架构，而UCC25800等大功率电源方案可应用于半分布式架构，而对于集中式方案，TI也有相应的解决方案。

同样，对于高压冗余隔离偏置电源，TI也提供了拓扑及解决方案。

高压冗余隔离偏置电源

在决定要使用哪种类型的架构和拓扑时，设计复杂性、功能安全要求和成本是主要考量因素，需要客户根据自己实际应用需求进行选择。

高压、高密度与高隔离的共同需求

从应用角度来看，无论是电动汽车还是数据中心，隔离电源的需求都在同步增强。

在电动汽车中，OBC、高压DC/DC、电机驱动以及电池系统的功率器件均需要偏置电源。随着系统向更高电压等级与更高开关频率发展，对偏置电源的小型化、隔离能力以及抗干扰能力提出更高要求。IsoShield 所提供的高集成度方案，有助于降低系统体积与重量，并提升整体效率。

在数据中心中，随着 AI 算力需求增长，电源系统正向更高功率密度与更高电压架构（如800V）演进，AC/DC与DC/DC都在迈向高电压轨，同时包括热插拔等系统也在朝向高压演进，隔离电源同样不可或缺。

尤其是随着第三代半导体在这些功率变换应用中的需求越来越高，需要偏置电源提供更强的CMTI及EMI性能，确保系统稳定性。

不断突破电源功率密度

从电感集成到变压器集成，TI正在不断推动电源功率密度提升，将原本依赖板级实现的关键功能进一步向封装内部收敛，从模块走向更高集成度，甚至逐步接近芯片化的实现形态。

正如TI 高压产品副总裁兼总经理 Kannan Soundarapandian 表示：“封装创新正在革新电源行业，而电源模块正处于这场变革的前沿。”

来源：电子工程世界（EEWorld） 作者：冀凯