【導讀】隨著(zhù)設備變得越來(lái)越小，電源也必須跟隨著(zhù)變小。因此，當今設計人員的首要目標是：將單位體積功率（W/mm3）最大化。實(shí)現這一目標的一種方法是使用更高性能的電源開(kāi)關(guān)。隔離電源系統被廣泛應用于服務(wù)器系統、工業(yè)應用以及電信和網(wǎng)絡(luò )設備中。在這個(gè)對帶寬有強烈需求的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代，越來(lái)越多的此類(lèi)系統需要高效供電，從而帶來(lái)了對低功耗、高性?xún)r(jià)比解決方案的更多需求。
隨著(zhù)設備變得越來(lái)越小，電源也必須跟隨著(zhù)變小。因此，當今設計人員的首要目標是：將單位體積功率（W/mm3）最大化。實(shí)現這一目標的一種方法是使用更高性能的電源開(kāi)關(guān)。目前在這一領(lǐng)域已經(jīng)有很多重要的創(chuàng )新，并且令人興奮的全新產(chǎn)品現在也已面市，這些產(chǎn)品擁有高速開(kāi)關(guān)切換能力，可以提供更高的系統效率和更小的器件尺寸。
這些新型電源開(kāi)關(guān)包括新一代更快的、基于硅的MOSFET，以及像鎵氮化物（GaN）或碳化硅（SiC）基質(zhì)這些更新的技術(shù)。
與硅技術(shù)的垂直結構相比，新技術(shù)的橫向結構使其成為低電荷設備，因此能夠在幾納秒（ns）內轉換幾百伏。這非常適合快速開(kāi)關(guān)系統。
其它優(yōu)點(diǎn)包括較高的電場(chǎng)強度和電子遷移率，這意味著(zhù)對于給定的擊穿電壓和導通電阻，開(kāi)關(guān)尺寸可以小很多。另外，它們也具有更寬的帶隙（Band Gap），這意味著(zhù)它們可以在更高的頻率和更高的電流下安全地操作。
然而，對于電源來(lái)說(shuō)，快速切換并非沒(méi)有代價(jià)——它產(chǎn)生高噪聲瞬變，這可能會(huì )導致調制丟失，或由于閂鎖效應（Latch-up）而永久損壞整個(gè)系統。為了解決這個(gè)問(wèn)題，用于驅動(dòng)這些新型電源開(kāi)關(guān)的器件的噪聲抗擾度必須得到顯著(zhù)的改善。本文介紹了這些新技術(shù)以及設計人員如何能夠武裝自己以應對未來(lái)電源設計方面的挑戰。
電源轉換器系統
讓我們來(lái)仔細看看廣泛存在的開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS），其中功率開(kāi)關(guān)是最關(guān)鍵的部分。SMPS從交流到直流（AC-DC）或者從直流到直流（DC-DC）轉換其輸入功率，并且在大多數情況下，它們也改變電壓電平以適應應用的需要。
圖1.典型的AC-DC SMPS開(kāi)關(guān)電源框圖
該圖顯示了一個(gè)典型的AC-DC SMPS開(kāi)關(guān)電源框圖。首先，將交流輸入電壓整流成直流電壓。然后，在電源開(kāi)關(guān)級使用柵極驅動(dòng)器調制該直流電壓以控制調制過(guò)程?？刂破魃煽刂菩盘?，柵極驅動(dòng)器用其來(lái)調制電源開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)電壓通過(guò)一個(gè)帶有預期匝數比（Turns Ratio）的隔離變壓器來(lái)耦合，從而在輸出時(shí)獲得正確的電壓電平。然后該電壓由同步FET整流回直流。同步FET也需要柵極驅動(dòng)器以控制其開(kāi)關(guān)。電流和/或電壓傳感器監測輸出，并且提供反饋到控制器以微調調制方案，從而獲得最佳性能。
電源轉換器系統性能
正如前面提到的，設計人員面臨的挑戰是實(shí)現單位體積中的最高功率。要做到這一點(diǎn)，最好的辦法是提高系統效率。通過(guò)開(kāi)關(guān)和/或傳導而損耗的功率會(huì )產(chǎn)生熱量，它們還必須通過(guò)散熱片安全地釋放掉，但也由于散熱片的尺寸而增加了總體積。因此，創(chuàng )建一種更高效的設計有兩大好處——增加有用輸出功率和減小總體積。
為了實(shí)現這一目標，同時(shí)保持安全性，可用的最佳手段之一就是提高開(kāi)關(guān)速率和頻率。這樣做具有以下優(yōu)點(diǎn)：
• 更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間減小了電源開(kāi)關(guān)損耗和散熱片的必要尺寸；
• 更高的調制頻率減小了輸出電容和電感的尺寸和成本；
• 更高的調制頻率減小了磁性材料（鐵氧體等）的不利影響；
• 更高的調制頻率改善了瞬態(tài)響應，防止電壓過(guò)沖/下沖（Voltage Over/Under-shoot）。
在這些優(yōu)點(diǎn)備受青睞的同時(shí)，也有一項風(fēng)險牽涉其中。如下圖所示，更快的開(kāi)關(guān)會(huì )導致更高的開(kāi)關(guān)瞬變。在當前采用GaN電源開(kāi)關(guān)設計的最先進(jìn)的系統中，開(kāi)關(guān)時(shí)間通常約為5ns，或者比傳統系統快約10至20倍。例如，一根典型的600V高壓線(xiàn)將導致一個(gè)120 kV/µs的瞬變（600V/5ns=120V/ns或者120kV/µs）。
圖2.電源轉換器中的開(kāi)關(guān)瞬變
關(guān)鍵規格：共模瞬變抗擾度（CMTI）
這種高噪聲瞬變會(huì )導致柵極驅動(dòng)器失去信號完整性，或者“毛刺”，從而導致系統調制失??；或者更糟的是，生成一個(gè)偽信號，其可能觸發(fā)兩個(gè)功率MOSFET同時(shí)接通，從而引發(fā)危險的電氣短路情況。高瞬變也可能造成柵極驅動(dòng)器進(jìn)入一種永久的閂鎖狀態(tài)，這也會(huì )引發(fā)危險情況。
控制電源開(kāi)關(guān)的柵極驅動(dòng)器的設計必須能夠承受這些噪聲瞬變，同時(shí)不會(huì )造成毛刺或閂鎖。驅動(dòng)器承受這些共模噪聲瞬變的能力被定義為共模瞬變抗擾度（CMTI），它由大多數廠(chǎng)商通常列在其產(chǎn)品數據手冊中的一項規格來(lái)定義，并以kV/µs為單位來(lái)表示。在上面的示例中，柵極驅動(dòng)器的CMTI規格應該已被清楚地確定為至少120kV/µs。
隔離柵極驅動(dòng)器的選擇項
在隔離電源轉換器系統中，柵極驅動(dòng)器需要被隔離以保持從首級側到次級側的隔離完整性。柵極驅動(dòng)器通常為功率FET的柵極提供高達4A的開(kāi)關(guān)電流。對于給定的FET柵極電容，電流驅動(dòng)能力越強，開(kāi)關(guān)速率就越快。下圖顯示了一個(gè)隔離柵極驅動(dòng)器的簡(jiǎn)單原理圖，其連接至一個(gè)電壓達400V的功率FET的柵極。
圖3.隔離柵極驅動(dòng)器示例
當今市場(chǎng)上可提供許多隔離柵極驅動(dòng)器解決方案。
• 結隔離驅動(dòng)器（Junction-Isolated Driver）
結隔離驅動(dòng)器有一個(gè)浮動(dòng)的高壓側驅動(dòng)器去適應高電壓線(xiàn)路。對于這樣的設備而言，最高額定電壓約為600V。通常情況下，這些產(chǎn)品經(jīng)濟實(shí)惠，但具有較小的瞬變抑制力，很容易閂鎖，從而造成永久損壞或安全危害。一般來(lái)說(shuō)，用于支持信號完整性的CMTI規格是在10kV/µs范圍之內，而用于支持閂鎖抗擾的CMTI規格是在50 kV/µs范圍之內。
• 光耦合驅動(dòng)器
光耦合柵極驅動(dòng)器都被真正地隔離（相對于浮動(dòng)的高壓側驅動(dòng)器），而且它們已經(jīng)存在了相當長(cháng)的一段時(shí)間。典型光耦合驅動(dòng)器的CMTI規格在10-20 kV/µs之間，而最新產(chǎn)品則擁有大為改善的性能，其CMTI值達到50 kV/µs（最小值）。
• 電容耦合和變壓器耦合驅動(dòng)器
除了結驅動(dòng)器或光耦合驅動(dòng)器之外，諸如電容耦合或變壓器耦合解決方案等技術(shù)，也使性能提升了一大截。
請牢記我們的最終目標——實(shí)現可能的最快開(kāi)關(guān)速率同時(shí)確保安全性——電容耦合和變壓器耦合驅動(dòng)器的最大優(yōu)勢在于，他們能夠承受極高的噪聲瞬變，而又不會(huì )丟失數據并不會(huì )被閂鎖。一些最新的變壓器耦合柵極驅動(dòng)器的CMTI規范為50 kV/µs（最小值），而這仍然不能滿(mǎn)足我們所考慮的最高效率系統。
最新的電容耦合解決方案也有相應的CMTI規范，支持信號完整性的CMTI為200 kV/µs（最小值），支持閂鎖抗擾的CMTI為400 kV/µs（最大值）。這是業(yè)界領(lǐng)先的性能，且最適合當今的新型高頻系統設計。
使用電容耦合隔離驅動(dòng)器還有一些其它的優(yōu)勢。它們非?？焖伲ǖ脱舆t），并且信道之間和器件之間的一致性?xún)?yōu)于其它解決方案。與一些流行的光耦柵極驅動(dòng)器相比，其傳輸時(shí)延（延遲）性能要好10倍之多，同時(shí)器件之間的一致性也要好10倍甚至更多。這種一致性為設計人員提供了另一項關(guān)鍵優(yōu)勢——系統的整體調制方案可以進(jìn)行微調以實(shí)現最高效率和安全性，而無(wú)需去適應規格變動(dòng)。
這些驅動(dòng)器還允許較低電壓操作（相比5V的2.5V），以及更寬的工作溫度范圍（-40℃至125℃，而光耦合驅動(dòng)器僅為-40℃至105℃）。此類(lèi)驅動(dòng)器還提供其它先進(jìn)的特性，例如輸入噪聲濾波器、異步關(guān)斷能力，以及在同一個(gè)封裝中的諸如半橋或雙通道獨立驅動(dòng)器等多種配置。
產(chǎn)品的安全性和長(cháng)期可靠性也是這些應用中的關(guān)注重點(diǎn)，并且考慮這些屬性也是非常重要的。另外，新型驅動(dòng)器在高電壓條件下的額定工作壽命為60年，比其它任何可比的解決方案都更長(cháng)。
下表總結了相互競爭的驅動(dòng)器之間的關(guān)鍵特性對比。
表1.常用隔離柵極驅動(dòng)器技術(shù)的詳細對比
總結
通過(guò)使用市場(chǎng)上可以提供的最快功率開(kāi)關(guān)技術(shù)，電源設計人員希望能將其設計中的單位體積功率（W/mm3）實(shí)現最大化。最新的基于GaN和SiC的開(kāi)關(guān)是當前市場(chǎng)可提供的最快速技術(shù)，但是要求柵極驅動(dòng)器具有非常高的噪聲抗擾度（CMTI）。
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