具有快速開關(guān)頻率的電源已大幅提升安全性

　　引言

　　隔離電源系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于服務(wù)器系統(tǒng)、工業(yè)應(yīng)用以及電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。在這個(gè)對(duì)帶寬有強(qiáng)烈需求的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代，越來(lái)越多的此類系統(tǒng)需要高效供電，從而帶來(lái)了對(duì)低功耗、高性價(jià)比解決方案的更多需求。

　　隨著設(shè)備變得越來(lái)越小，電源也必須跟隨著變小。因此，當(dāng)今設(shè)計(jì)人員的首要目標(biāo)是：將單位體積功率(W/mm3)最大化。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是使用更高性能的電源開關(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(xiàn)在也已面市，這些產(chǎn)品擁有高速開關(guān)切換能力，可以提供更高的系統(tǒng)效率和更小的器件尺寸。

　　這些新型電源開關(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(jié)構(gòu)相比，新技術(shù)的橫向結(jié)構(gòu)使其成為低電荷設(shè)備，因此能夠在幾納秒(ns)內(nèi)轉(zhuǎn)換幾百伏。這非常適合快速開關(guān)系統(tǒng)。

　　其它優(yōu)點(diǎn)包括較高的電場(chǎng)強(qiáng)度和電子遷移率，這意味著對(duì)于給定的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻，開關(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(duì)于電源來(lái)說(shuō)，快速切換并非沒有代價(jià)——它產(chǎn)生高噪聲瞬變，這可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)制丟失，或由于閂鎖效應(yīng)(Latch-up)而永久損壞整個(gè)系統(tǒng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，用于驅(qū)動(dòng)這些新型電源開關(guān)的器件的噪聲抗擾度必須得到顯著的改善。本文介紹了這些新技術(shù)以及設(shè)計(jì)人員如何能夠武裝自己以應(yīng)對(duì)未來(lái)電源設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。

　　電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)

　　讓我們來(lái)仔細(xì)看看廣泛存在的開關(guān)模式電源(SMPS)，其中功率開關(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(zhuǎn)換其輸入功率，并且在大多數(shù)情況下，它們也改變電壓電平以適應(yīng)應(yīng)用的需要。

　　圖1.典型的AC-DC SMPS開關(guān)電源框圖

　　該圖顯示了一個(gè)典型的AC-DC SMPS開關(guān)電源框圖。首先，將交流輸入電壓整流成直流電壓。然后，在電源開關(guān)級(jí)使用柵極驅(qū)動(dòng)器調(diào)制該直流電壓以控制調(diào)制過(guò)程?？刂破魃煽刂菩盘?hào)，柵極驅(qū)動(dòng)器用其來(lái)調(diào)制電源開關(guān)。該開關(guān)電壓通過(guò)一個(gè)帶有預(yù)期匝數(shù)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(qū)動(dòng)器以控制其開關(guān)。電流和/或電壓傳感器監(jiān)測(cè)輸出，并且提供反饋到控制器以微調(diào)調(diào)制方案，從而獲得最佳性能。

　　電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)性能

　　正如前面提到的，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)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(tǒng)效率。通過(guò)開關(guān)和/或傳導(dǎo)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(shè)計(jì)有兩大好處——增加有用輸出功率和減小總體積。

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，同時(shí)保持安全性，可用的最佳手段之一就是提高開關(guān)速率和頻率。這樣做具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　· 更快的開關(guān)時(shí)間減小了電源開關(guān)損耗和散熱片的必要尺寸;

　　· 更高的調(diào)制頻率減小了輸出電容和電感的尺寸和成本;

　　· 更高的調(diào)制頻率減小了磁性材料(鐵氧體等)的不利影響;

　　· 更高的調(diào)制頻率改善了瞬態(tài)響應(yīng)，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(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)牽涉其中。如下圖所示，更快的開關(guān)會(huì)導(dǎo)致更高的開關(guān)瞬變。在當(dāng)前采用GaN電源開關(guān)設(shè)計(jì)的最先進(jìn)的系統(tǒng)中，開關(guān)時(shí)間通常約為5ns，或者比傳統(tǒng)系統(tǒng)快約10至20倍。例如，一根典型的600V高壓線將導(dǎo)致一個(gè)120 kV/µs的瞬變(600V/5ns=120V/ns或者120kV/µs)。

　　圖2.電源轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)瞬變

　　關(guān)鍵規(guī)格：共模瞬變抗擾度(CMTI)

　　這種高噪聲瞬變會(huì)導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)器失去信號(hào)完整性，或者“毛刺”，從而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)制失敗;或者更糟的是，生成一個(gè)偽信號(hào)，其可能觸發(fā)兩個(gè)功率MOSFET同時(shí)接通，從而引發(fā)危險(xiǎn)的電氣短路情況。高瞬變也可能造成柵極驅(qū)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(xiǎn)情況。

　　控制電源開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)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(qū)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(shù)廠商通常列在其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中的一項(xiàng)規(guī)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(qū)動(dòng)器的CMTI規(guī)格應(yīng)該已被清楚地確定為至少120kV/µs。

　　隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇項(xiàng)

　　在隔離電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動(dòng)器需要被隔離以保持從首級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的隔離完整性。柵極驅(qū)動(dòng)器通常為功率FET的柵極提供高達(dá)4A的開關(guān)電流。對(duì)于給定的FET柵極電容，電流驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，開關(guān)速率就越快。下圖顯示了一個(gè)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)單原理圖，其連接至一個(gè)電壓達(dá)400V的功率FET的柵極。

　　圖3.隔離柵極驅(qū)動(dòng)器示例

　　當(dāng)今市場(chǎng)上可提供許多隔離柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案。

　　· 結(jié)隔離驅(qū)動(dòng)器(Junction-Isolated Driver)

　　結(jié)隔離驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)浮動(dòng)的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器去適應(yīng)高電壓線路。對(duì)于這樣的設(shè)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(jì)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(hào)完整性的CMTI規(guī)格是在10kV/µs范圍之內(nèi)，而用于支持閂鎖抗擾的CMTI規(guī)格是在50 kV/µs范圍之內(nèi)。

　　· 光耦合驅(qū)動(dòng)器

　　光耦合柵極驅(qū)動(dòng)器都被真正地隔離(相對(duì)于浮動(dòng)的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器)，而且它們已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。典型光耦合驅(qū)動(dòng)器的CMTI規(guī)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(dá)到50 kV/µs(最小值)。

　　· 電容耦合和變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器

　　除了結(jié)驅(qū)動(dòng)器或光耦合驅(qū)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(qǐng)牢記我們的最終目標(biāo)——實(shí)現(xiàn)可能的最快開關(guān)速率同時(shí)確保安全性——電容耦合和變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器的最大優(yōu)勢(shì)在于，他們能夠承受極高的噪聲瞬變，而又不會(huì)丟失數(shù)據(jù)并不會(huì)被閂鎖。一些最新的變壓器耦合柵極驅(qū)動(dòng)器的CMTI規(guī)范為50 kV/µs(最小值)，而這仍然不能滿足我們所考慮的最高效率系統(tǒng)。

　　最新的電容耦合解決方案也有相應(yīng)的CMTI規(guī)范，支持信號(hào)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(dāng)今的新型高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　使用電容耦合隔離驅(qū)動(dòng)器還有一些其它的優(yōu)勢(shì)。它們非?？焖?低延遲)，并且信道之間和器件之間的一致性優(yōu)于其它解決方案。與一些流行的光耦柵極驅(qū)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(shè)計(jì)人員提供了另一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)——系統(tǒng)的整體調(diào)制方案可以進(jìn)行微調(diào)以實(shí)現(xiàn)最高效率和安全性，而無(wú)需去適應(yīng)規(guī)格變動(dòng)。

　　這些驅(qū)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(qū)動(dòng)器僅為-40℃至105℃)。此類驅(qū)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(dú)立驅(qū)動(dòng)器等多種配置。

　　產(chǎn)品的安全性和長(zhǎng)期可靠性也是這些應(yīng)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(qū)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(zhǎng)。

　　下表總結(jié)了相互競(jìng)爭(zhēng)的驅(qū)動(dòng)器之間的關(guān)鍵特性對(duì)比。

　　表1.常用隔離柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的詳細(xì)對(duì)比

　　總結(jié)

　　通過(guò)使用市場(chǎng)上可以提供的最快功率開關(guān)技術(shù)，電源設(shè)計(jì)人員希望能將其設(shè)計(jì)中的單位體積功率(W/mm3)實(shí)現(xiàn)最大化。最新的基于GaN和SiC的開關(guān)是當(dāng)前市場(chǎng)可提供的最快速技術(shù)，但是要求柵極驅(qū)動(dòng)器具有非常高的噪聲抗擾度(CMTI)。

　　Silicon Labs最新的電容耦合柵極驅(qū)動(dòng)器滿足了GaN和SiC的噪聲抗擾度要求，且余量綽綽有余(要求為120kV/µs、可提供200kV/µs)。采用最新技術(shù)的新型Si827x隔離柵極驅(qū)動(dòng)器允許設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率和單位體積功率(W/mm3)最大化。

　　圖4.具有高噪聲抗擾度的電容耦合隔離柵極驅(qū)動(dòng)器

　　Silicon Labs公司隔離產(chǎn)品經(jīng)理Ashish Gokhale

　　Ashish Gokhale是Silicon Labs公司電源產(chǎn)品事業(yè)部負(fù)責(zé)隔離產(chǎn)品的資深產(chǎn)品經(jīng)理，工作地點(diǎn)位于美國(guó)德克薩斯州奧斯汀市。Ashish于2010年加入Silicon Labs。在此之前，他在德州儀器(TI)擔(dān)任隔離產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理，致力于開發(fā)隔離技術(shù)和推廣產(chǎn)品。他在TI曾擔(dān)任半導(dǎo)體工藝和產(chǎn)品開發(fā)方面的多個(gè)技術(shù)和管理職位，包括深亞微米工藝節(jié)點(diǎn)的技術(shù)開發(fā)和工業(yè)接口產(chǎn)品的開發(fā)。他擁有德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的電機(jī)工程碩士(MSEE)和工商管理碩士(MBA)學(xué)位，以及孟買VJTI大學(xué)的電機(jī)工程學(xué)士(BSEE)學(xué)位。他在隔離技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)還擁有2項(xiàng)專利。