所有的隔離直流/直流電源轉換器都包括輸入濾波器、輸出濾波器、變壓器、初級開(kāi)關(guān)、次級整流和一個(gè)控制器�？刂破骷瓤梢詤⒖汲跫壍�，也可以參考次級地。圖1 顯示了一種隔離半橋電源轉換器，其控制器以初級邊地作為參考地。隔離邊界上總共有4個(gè)交叉點(diǎn)：電源變壓器、反饋信號，還有2個(gè)同步整流MOSFET控制信號。因為反饋信號是相對較慢的模擬信號，通常使用一個(gè)光耦來(lái)進(jìn)行隔離反饋信號。大多數光耦在用于同步MOSFET柵極驅動(dòng)隔離時(shí)都太慢�，F在也有適用的快速光耦，不過(guò)這會(huì )導致成本大幅提高。
過(guò)去，大多數常規方案使用柵極驅動(dòng)變壓器隔離同步整流柵極驅動(dòng)信號。這些變壓器可用于直接驅動(dòng)MOSFET柵極，或者僅僅隔離次級柵極驅動(dòng)集成電路的控制信號。變壓器不能傳輸直流信號。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的柵極驅動(dòng)變壓器。 圖2顯示了最基本的變壓器隔離柵極驅動(dòng)。輸入通過(guò)一個(gè)隔直電容耦合。一個(gè)10V、50%占空比的驅動(dòng)信號通過(guò)隔直電容后變成一個(gè)5V 直流偏置信號。偏置電壓為：V(驅動(dòng))×占空比這個(gè)例子中最終次級側驅動(dòng)信號振幅從+5V 到-5V。負截止區具有良好的噪聲抗擾性能，但是半峰值導通區又會(huì )減小噪聲抗擾性。對于占空比大于50%的情況，這個(gè)設計不實(shí)用，峰值幅度隨著(zhù)占空比的增加而不斷減小。
對占空比變化很快的應用必須保持謹慎，如瞬態(tài)響應會(huì )導致工作紊亂或損壞器件。當偏置通過(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磁電感導致產(chǎn)生振蕩。這種振蕩會(huì )在計劃外的時(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減少振蕩都有幫助。但是選擇太大的電容會(huì )導致變壓器在瞬態(tài)期間飽和。 圖3顯示了另外一種變壓器隔離柵極驅動(dòng)，這種驅動(dòng)通常稱(chēng)為直流恢復型柵極驅動(dòng)。二極管和次級側電容恢復了柵極驅動(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[1]。在斷開(kāi)期間，初級電容無(wú)限期直接接在初級線(xiàn)圈兩邊。初級磁化電流不斷加強，使變壓器飽和。當變壓器飽和后，變壓器次級變成短路，允許次級電容打開(kāi) MOSFET，這可能損壞電源轉換器。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)謹慎的設計和評估，變壓器隔離柵極驅動(dòng)在50%或更低占空比下都呈現相當出色的性能。對于圖1所示的電源轉換器應用，需要同步整流器提供足夠高的占空比(遠大于50%)。對于這種高占空比應用，變壓器隔離需要直流恢復技術(shù)，這可能帶來(lái)更多意想不到的困難，而且需要在設計和評估中非常謹慎。高性能隔離直流/直流電源轉換器的設計人員通常會(huì )盡力提高效率并減小尺寸。而基于變壓器的隔離柵極驅動(dòng)相對較大，不僅僅需要變壓器，還需要相關(guān)的復位器件。最近，部分廠(chǎng)家開(kāi)始提供全集成隔離柵極驅動(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、射頻調制電容耦合以及巨磁阻傳感器。 目前已有一類(lèi)應用廣泛的隔離器件系列在使用微芯片級變壓器來(lái)隔離穿過(guò)地隔離邊界的數字信號[3]。對于每一次輸入轉換，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，并在次級解碼。初級側會(huì )周期發(fā)送一個(gè)刷新脈沖檢測直流正確性。次級側有一個(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制來(lái)發(fā)送穿過(guò)地隔離邊界的數字信號[4]。在初級側，一個(gè)700MHz調制信號以鍵值"開(kāi)"或"斷"代表輸入的"1"或"0"。次級側接收器從初級側發(fā)射器接收這個(gè)信號。解調器解碼RF信號，通過(guò)RF信號的有無(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，因為所需狀態(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)感應技術(shù)[5]。使用這種方法時(shí)，當初級側輸入為"1"，直流電流進(jìn)入一個(gè)微型線(xiàn)圈和一個(gè)集中器，產(chǎn)生一個(gè)聚焦磁場(chǎng)。在次級側有一個(gè)巨磁阻傳感器納米器件，它由采用超薄非導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。次級側電路測量并調節電橋的輸出。廠(chǎng)家宣稱(chēng)目前市場(chǎng)上所有高速數字隔離器件中，因為這種技術(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)送柵極驅動(dòng)信息時(shí)，它們承諾比基于變壓器的傳統柵極驅動(dòng)隔離器具有更好的可靠性，同時(shí)尺寸也更小。對于任何隔離方案，電源轉換器應用都可能相當困難。另外一個(gè)必須謹慎對待的問(wèn)題是dV/dt靈敏度。我們需要從一個(gè)地到另一個(gè)地快速轉換電勢，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)溫度在某些電源轉換器的應用中可能太低。大多數此類(lèi)新技術(shù)都要求在器件的初級側和次級側分別提供一個(gè)獨立的5V偏置。和傳統的隔離變壓器相比，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)行認真的評估，電源變換器的總體性能必然取決于設計方案中最薄弱的器件。 參考文獻： [1]Ridley Ray.柵極驅動(dòng)設計指南[J].歐洲電力系統設計，2006.1 [2]美國國家半導體LM5035A數據表[D] [3]模擬器件應用注釋AN-825.iCoupler隔離產(chǎn)品中的電源注意事項[R]. [4]芯科美國Si8420數據表[D] [5]NVE公司.巨磁阻傳感器的工作原理[R] [6]美國國家半導體LM5035C數據表[D] 作者：Bob Bell 美國國家半導體 時(shí)間：2010-06-18 |
