柵極驅(qū)動(dòng)變壓器和全集成隔離器在隔離直流/直流

　　過(guò)去，大多數(shù)常規(guī)方案使用柵極驅(qū)動(dòng)變壓器隔離同步整流柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這些變壓器可用于直接驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極，或者僅僅隔離次級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)集成電路的控制信號(hào)。變壓器不能傳輸直流信號(hào)。確定尺寸的變壓器只能通過(guò)隔離邊界傳輸有限的電壓和時(shí)間乘積。每次導(dǎo)通后變壓器都需要重新啟動(dòng)，這影響了占空比限制。柵極驅(qū)動(dòng)變壓器也存在一些難題和限制。一些生產(chǎn)商最近已開(kāi)始提供全集成器件替代傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器。

　　圖2顯示了最基本的變壓器隔離柵極驅(qū)動(dòng)。輸入通過(guò)一個(gè)隔直電容耦合。一個(gè)10V、50%占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)隔直電容后變成一個(gè)5V 直流偏置信號(hào)。偏置電壓為：V(驅(qū)動(dòng))×占空比這個(gè)例子中最終次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)振幅從+5V 到-5V。負(fù)截止區(qū)具有良好的噪聲抗擾性能，但是半峰值導(dǎo)通區(qū)又會(huì)減小噪聲抗擾性。對(duì)于占空比大于50%的情況，這個(gè)設(shè)計(jì)不實(shí)用，峰值幅度隨著占空比的增加而不斷減小。對(duì)占空比變化很快的應(yīng)用必須保持謹(jǐn)慎，如瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致工作紊亂或損壞器件。當(dāng)偏置通過(guò)耦合電容后改變(由于占空比的改變)時(shí)，電容可能由于變壓器勵(lì)磁電感導(dǎo)致產(chǎn)生振蕩。這種振蕩會(huì)在計(jì)劃外的時(shí)間間隔中打開(kāi)MOSFET。大電容值、柵極電阻或者降低占空比變化速度對(duì)減少振蕩都有幫助。但是選擇太大的電容會(huì)導(dǎo)致變壓器在瞬態(tài)期間飽和。

　　圖3顯示了另外一種變壓器隔離柵極驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)通常稱(chēng)為直流恢復(fù)型柵極驅(qū)動(dòng)。二極管和次級(jí)側(cè)電容恢復(fù)了柵極驅(qū)動(dòng)的直流電壓，可用于更大的占空比情況。這個(gè)電路和基本型電路同樣存在振蕩和可能的變壓器瞬態(tài)問(wèn)題。這個(gè)電路在斷開(kāi)期間還存在其他危險(xiǎn)[1]。在斷開(kāi)期間，初級(jí)電容無(wú)限期直接接在初級(jí)線圈兩邊。初級(jí)磁化電流不斷加強(qiáng)，使變壓器飽和。當(dāng)變壓器飽和后，變壓器次級(jí)變成短路，允許次級(jí)電容打開(kāi) MOSFET，這可能損壞電源轉(zhuǎn)換器。小容量耦合電容有助于減少這一影響。軟停止控制器也可提供幫助，這種控制器能夠逐漸減小而不是突然停止占空比[2]。

　　一般而言，通過(guò)謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)和評(píng)估，變壓器隔離柵極驅(qū)動(dòng)在50%或更低占空比下都呈現(xiàn)相當(dāng)出色的性能。對(duì)于圖1所示的電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，需要同步整流器提供足夠高的占空比(遠(yuǎn)大于50%)。對(duì)于這種高占空比應(yīng)用，變壓器隔離需要直流恢復(fù)技術(shù)，這可能帶來(lái)更多意想不到的困難，而且需要在設(shè)計(jì)和評(píng)估中非常謹(jǐn)慎。高性能隔離直流/直流電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員通常會(huì)盡力提高效率并減小尺寸。而基于變壓器的隔離柵極驅(qū)動(dòng)相對(duì)較大，不僅僅需要變壓器，還需要相關(guān)的復(fù)位器件。最近，部分廠家開(kāi)始提供全集成隔離柵極驅(qū)動(dòng)解決方案。這些解決方案采用了多種不同的隔離技術(shù)，包括微型變壓器、射頻調(diào)制電容耦合以及巨磁阻傳感器。

　　目前已有一類(lèi)應(yīng)用廣泛的隔離器件系列在使用微芯片級(jí)變壓器來(lái)隔離穿過(guò)地隔離邊界的數(shù)字信號(hào)[3]。對(duì)于每一次輸入轉(zhuǎn)換，在編碼邊沿時(shí)用兩個(gè)脈沖表示一個(gè)上升沿，用一個(gè)脈沖表示一個(gè)下降沿。脈沖通過(guò)微變壓器耦合，并在次級(jí)解碼。初級(jí)側(cè)會(huì)周期發(fā)送一個(gè)刷新脈沖檢測(cè)直流正確性。次級(jí)側(cè)有一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器用于檢查刷新脈沖。

　　另一個(gè)系列的隔離器件采用高頻射頻調(diào)制來(lái)發(fā)送穿過(guò)地隔離邊界的數(shù)字信號(hào)[4]。在初級(jí)側(cè)，一個(gè)700MHz調(diào)制信號(hào)以鍵值"開(kāi)"或"斷"代表輸入的"1"或"0"。次級(jí)側(cè)接收器從初級(jí)側(cè)發(fā)射器接收這個(gè)信號(hào)。解調(diào)器解碼RF信號(hào)，通過(guò)RF信號(hào)的有無(wú)狀態(tài)控制輸出狀態(tài)。生產(chǎn)商稱(chēng)RF開(kāi)/關(guān)鍵控方案提供了同類(lèi)最佳的抗干擾度，因?yàn)樗锠顟B(tài)信息始終在以非?？斓乃俣劝l(fā)送和接收。還有另外一種方案采用了GMR(巨磁阻傳感器)感應(yīng)技術(shù)[5]。使用這種方法時(shí)，當(dāng)初級(jí)側(cè)輸入為"1"，直流電流進(jìn)入一個(gè)微型線圈和一個(gè)集中器，產(chǎn)生一個(gè)聚焦磁場(chǎng)。在次級(jí)側(cè)有一個(gè)巨磁阻傳感器納米器件，它由采用超薄非導(dǎo)磁中間層的鐵磁體合金制成。傳感器按照惠斯通電橋配置排列。在磁場(chǎng)中，傳感器阻抗改變，從而改變電橋的平衡。次級(jí)側(cè)電路測(cè)量并調(diào)節(jié)電橋的輸出。廠家宣稱(chēng)目前市場(chǎng)上所有高速數(shù)字隔離器件中，因?yàn)檫@種技術(shù)采用了巨磁阻傳感器，因此擁有最低的EMC噪聲特性。

　　所有這些新開(kāi)發(fā)的全集成隔離器都非常實(shí)用。在通過(guò)隔離邊界發(fā)送柵極驅(qū)動(dòng)信息時(shí)，它們承諾比基于變壓器的傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)隔離器具有更好的可靠性，同時(shí)尺寸也更小。對(duì)于任何隔離方案，電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用都可能相當(dāng)困難。另外一個(gè)必須謹(jǐn)慎對(duì)待的問(wèn)題是dV/dt靈敏度。我們需要從一個(gè)地到另一個(gè)地快速轉(zhuǎn)換電勢(shì)，了解在瞬態(tài)中和瞬態(tài)后隔離器差分輸出是否保持狀態(tài)。

　　電磁靈敏度是另一個(gè)需要關(guān)心的問(wèn)題。當(dāng)遇到外部磁場(chǎng)時(shí)，隔離器必須保持在一個(gè)合適的狀態(tài)中。許多新型器件的工作溫度都限制在85℃以下，這個(gè)溫度在某些電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中可能太低。大多數(shù)此類(lèi)新技術(shù)都要求在器件的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)分別提供一個(gè)獨(dú)立的5V偏置。和傳統(tǒng)的隔離變壓器相比，這可能需要增加支持器件。這些新器件的輸入通常針對(duì)TTL閾值進(jìn)行配置，最高支持到5V。一些新型控制器(例如NS的LM5035C)提供0~5V的控制輸出，以便直接兼容這種新型隔離器[6]。

　　最近還有許多頗有前景的隔離器技術(shù)問(wèn)世。這些新隔離器技術(shù)的內(nèi)部實(shí)際工作原理截然不同，包括隔離器采用的微變壓器脈沖、RF鍵控和巨磁阻傳感器也非常不同。因此在采用任何新技術(shù)前都必須進(jìn)行認(rèn)真的評(píng)估，電源變換器的總體性能必然取決于設(shè)計(jì)方案中最薄弱的器件。