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作者：納芯微電子 在電源與充電樁等高功率應用中，通常需要專(zhuān)用驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)最后一級的功率晶體管。這是因為大多數微控制器輸出并沒(méi)有針對功率晶體管的驅動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，如足夠的驅動(dòng)電流和驅動(dòng)保護功能等，而且直接用微控制器來(lái)驅動(dòng)，會(huì )導致功耗過(guò)大等弊端。 首先，在功率晶體管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，柵極電容充放電會(huì )在輸出端產(chǎn)生較高的電壓與電流，高電壓與高電流同時(shí)存在時(shí)，會(huì )造成相當大的開(kāi)關(guān)損耗，降低電源效率。因此，在控制器和晶體管之間引入驅動(dòng)器，可以有效放大控制器的驅動(dòng)信號，從而更快地對功率管柵極電容進(jìn)行充放電，來(lái)縮短功率管在柵極的上電時(shí)間，降低晶體管損耗，提高開(kāi)關(guān)效率。其次，更大的電流可以提高開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率提高以后，可以使用更小的磁性器件，以降低成本，減小產(chǎn)品體積。 
為什么要用隔離驅動(dòng)？ 給功率管增加驅動(dòng)的方式有兩種，一種是非隔離驅動(dòng)，一種是隔離驅動(dòng)。傳統電路里面經(jīng)常見(jiàn)到非隔離驅動(dòng)，在高壓應用中一般采用半橋非隔離驅動(dòng)，該驅動(dòng)有高低兩個(gè)通道，低側是一個(gè)簡(jiǎn)單的緩沖器，通常與控制輸入有相同的接地點(diǎn)；高側則除了緩沖器，還包含高電壓電平轉換器。 非隔離驅動(dòng)有很多局限性。首先，非隔離驅動(dòng)模塊整體都在同一硅片上，因此耐壓無(wú)法超出硅工藝極限，大多數非隔離驅動(dòng)器的工作電壓都不超過(guò)700伏。其次，當高側功率管關(guān)閉而低側功率管打開(kāi)時(shí)，由于寄生電感效應，兩管之間的電壓可能會(huì )出現負壓，而非隔離驅動(dòng)耐負壓能力較弱，所以如果采用非隔離驅動(dòng)，應特別注意兩管間電路設計。第三，非隔離驅動(dòng)中需要用到高電壓電平轉換器，高電平轉換到低電平時(shí)會(huì )帶來(lái)噪聲，為了濾除這些噪聲，電平轉換器中通常加入濾波器，這會(huì )增加傳播延遲，而低側驅動(dòng)器就需要額外增加傳輸延遲，以匹配高側驅動(dòng)器，這就既增加了成本，又使得延遲很長(cháng)。第四，非隔離驅動(dòng)與控制芯片共地，不夠靈活，無(wú)法滿(mǎn)足現在許多復雜的拓撲電路要求，例如在三相PFC三電平拓撲中，要求多個(gè)輸出能夠轉換至控制公共端電平以上或以下，所以這種場(chǎng)景無(wú)法使用非隔離驅動(dòng)。
相比非隔離驅動(dòng)，隔離驅動(dòng)就有很多優(yōu)勢，這里以數字隔離驅動(dòng)來(lái)做說(shuō)明。在數字隔離驅動(dòng)器內部，有兩塊或更多的硅片，硅片之間通過(guò)絕緣材料隔離，而控制信號通過(guò)電容型或電磁型方式穿過(guò)隔離層來(lái)傳遞，從而讓輸入與輸出處于不同硅片上，這種隔離方式能繞過(guò)硅工藝極限，可以滿(mǎn)足高耐壓需求，隔離驅動(dòng)可以承受10kV以上的浪涌電壓。此外，兩個(gè)輸出驅動(dòng)之間，也有絕緣材料建構的隔離帶，所以與非隔離驅動(dòng)要求與控制信號共地不同，隔離輸出接地點(diǎn)選擇更靈活，可以匹配不同電路拓撲需要。
數字隔離驅動(dòng)器的優(yōu)勢 光耦隔離是傳統的隔離方式，但與數字隔離相比，光耦隔離在性能和面積上都不占優(yōu)勢。 首先，光耦隔離方案傳輸延遲較大，通常在百納秒以上。在光耦隔離方案中，LED將柵極驅動(dòng)信號轉換為光信號，再通過(guò)光電二極管等光敏電路轉換為待測電信號，根據結構設計的不同，常見(jiàn)的光耦傳播延遲在幾百納秒甚至微秒級。高速光耦通過(guò)優(yōu)化內部寄生參數、增加LED驅動(dòng)強度等設計，可在幾十納秒時(shí)間內接通和斷開(kāi)，但成本會(huì )上升很多。 常規光耦方案的傳播延遲甚至不如非隔離驅動(dòng)。在半橋非隔離驅動(dòng)中，因為增加添加了速度較慢的高電壓電平轉換器，以及去毛刺和濾波電路，常見(jiàn)延遲時(shí)間可達到100納秒，因為低側要與高側匹配，所以要在低側添加一個(gè)單獨的延遲時(shí)鐘，整個(gè)系統傳播延遲在100納秒左右。 數字隔離驅動(dòng)通過(guò)上百兆高頻載波編解碼，開(kāi)關(guān)只需幾納秒甚至更短的時(shí)間。但由于內部邏輯延遲和去毛刺濾波設計，所以延遲到幾十納秒。以納芯微NSi6602為例，隔離驅動(dòng)傳輸延遲典型值是在25納秒，最高值不超過(guò)35納秒。 其次，光耦方案脈寬失真較大。因為光電檢測器中的LED開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間并不總是對稱(chēng)，且溫度越高不對稱(chēng)越嚴重，所以光耦脈寬失真比較嚴重，光耦方案脈寬失真范圍從幾十納秒到幾百納秒。 數字隔離驅動(dòng)的脈寬失真主要由振蕩器計時(shí)精度、隔離層傳輸特性和接收端檢測電路造成。NSi6602可將脈寬失真控制在6納秒以?xún)�，在脈寬失真這項參數上，數字隔離驅動(dòng)也是大幅領(lǐng)先。 其他在設計中要注意的參數 除了傳播延遲和脈寬失真。在半橋拓撲中，如果使用單通道隔離驅動(dòng)器，需要注意上下兩通道的延時(shí)匹配，如果采用了不同批次的器件，很容易帶來(lái)延時(shí)匹配問(wèn)題，另外，兩個(gè)單通道隔離驅動(dòng)在工作時(shí)結溫可能也會(huì )有差異，溫度差也會(huì )導致信號傳輸延時(shí)。對NSi6602這種高集成的雙通道半橋數字隔離驅動(dòng)而言，就不太需要考慮延時(shí)匹配問(wèn)題，這是因為在封裝時(shí)，納芯微都會(huì )選擇同一批次而且在晶圓上位置最接近的一對接收器，這樣制造差異影響最小，而一對接收器封裝在同一個(gè)芯片中，也能減少溫度差異對延時(shí)的影響。NSi6602可將上下通道的延時(shí)匹配這個(gè)指標控制在5納秒以?xún)取?br /> 共模瞬態(tài)抗干擾度（CMTI）也是一個(gè)需要注意的指標。特別是如果驅動(dòng)后級接的是碳化硅功率管，這是因為碳化硅功率管寄生電容更小，所以電壓瞬態(tài)變化值更大，同樣一個(gè)系統，如果從MOS功率管改為碳化硅功率管，其瞬態(tài)電壓比時(shí)間（dV/dt）的峰值會(huì )是MOS管的2到3倍，所以需要更高的CMTI指標。NSi6602的CMTI達到±150kV/μs，驅動(dòng)碳化硅功率管毫無(wú)壓力。 在5G基站、數據中心和充電樁中的應用 隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源的小型化和智能化，在5G通信、數據中心、充電樁和車(chē)載電源中，工程師越來(lái)越多選擇隔離驅動(dòng)以增強電源性能。 由于歷史原因，通信系統直流供電一般采用-48V輸入，即備電電池的正端接地。在過(guò)去，通信設備內部通常采用升降壓式（Buck-Boost）非隔離拓撲來(lái)實(shí)現輸入負壓到輸出正壓的轉換。但伴隨5G的到來(lái)，基站部署數量增加，基站設備小型化要求也越來(lái)越高，這就需要在電源部分進(jìn)一步提高功率密度，采用隔離驅動(dòng)會(huì )帶來(lái)很多好處。
非隔離驅動(dòng)需要與控制芯片共地，所以非隔離驅動(dòng)中，控制芯片地只能取在-48V，這就使得控制芯片易受到來(lái)自-48V電平的浪涌或雷擊等影響。而采用隔離驅動(dòng)，則可以把控制芯片與驅動(dòng)接到不同的接地點(diǎn)，控制芯片可以接在PGND（即設備地），所以不易受雷擊與浪涌影響，抗干擾能力強。而且，控制芯片接到設備地也使得其與上位機通信更加方便，不需要再加總線(xiàn)隔離芯片，輸出采樣也不用隔離，電源性能更穩定，采樣保護更及時(shí)。 在數據中心交流轉直流（AC-DC）電源中，也可以通過(guò)加入NSi6602隔離半橋驅動(dòng)來(lái)改善電源性能，在流行的整流橋加升壓PFC與LLC架構中，還可以通過(guò)增加隔離半橋驅動(dòng)的方式，將有橋PFC改為無(wú)橋PFC，從而減少二極管使用數量，并提高電源效率。
在新能源汽車(chē)充電樁中的直流轉交流電源通常采用三相交流供電，由于該設備須人員操作，所以在安全標準上要求極高，需要在操作人員可使用的接口與任何高壓電路之間提供增強隔離，以滿(mǎn)足系統對安全的要求，防止瞬時(shí)過(guò)壓、浪涌過(guò)壓和爬電等造成的安全隱患。這時(shí)候，隔離驅動(dòng)就是最好的選擇。
事實(shí)上，充電樁直流輸出高達800V，而非隔離驅動(dòng)最高耐壓只有700V，無(wú)法滿(mǎn)足充電樁應用的基本要求。而變壓器隔離驅動(dòng)效率低、器件多、面積大。以NSi6602為代表的數字隔離驅動(dòng)則具有高集成特性，成本更低，而且滿(mǎn)足加強絕緣要求，在可承受耐壓條件下，可工作十年以上。 基于隔離半橋驅動(dòng)的240W高效率同步整流電源方案 如下圖所示，是一款可用于通信系統的48V輸入、12V輸出240W的隔離半橋同步整流電源方案，其開(kāi)關(guān)頻率為200KHz，最高效率可達95% 此電源方案的半橋功率管驅動(dòng)部分與副邊同步整流功率管驅動(dòng)部分采用了納芯微高集成度、高可靠性隔離半橋驅動(dòng)芯片NSi6602，輸出反饋控制部分采用了納芯微高精度隔離誤差放大器NSi3190。此方案支持輸入電壓范圍36V-60V，輸出電壓12V，電流20A，開(kāi)關(guān)頻率200KHz，原副邊的輔助供電電路采用Fly-buck拓撲，本電源具備UVLO\OVP\OCP\OTP等多種保護功能。功能框圖如下：
圖 240W同步整流電源功能框圖 更多關(guān)于此方案的詳細資料和數據，請參考納芯微官網(wǎng)。 總結 在5G通信、數據中心、充電樁和車(chē)載電源等應用中，無(wú)論是與非隔離驅動(dòng)，還是與光耦隔離驅動(dòng)相比，數字隔離驅動(dòng)在傳播時(shí)延、可靠性和尺寸等方面都具有明顯的優(yōu)勢，由于集成度高，成本優(yōu)勢也很明顯，特別適合當前開(kāi)關(guān)電源設計智能化、小型化的趨勢。 |
