柵極驅(qū)動變壓器和全集成隔離器在隔離直流/直流

　　過去，大多數(shù)常規(guī)方案使用柵極驅(qū)動變壓器隔離同步整流柵極驅(qū)動信號。這些變壓器可用于直接驅(qū)動MOSFET柵極，或者僅僅隔離次級柵極驅(qū)動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隔離邊界傳輸有限的電壓和時間乘積。每次導(dǎo)通后變壓器都需要重新啟動，這影響了占空比限制。柵極驅(qū)動變壓器也存在一些難題和限制。一些生產(chǎn)商最近已開始提供全集成器件替代傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動變壓器。

　　圖2顯示了最基本的變壓器隔離柵極驅(qū)動。輸入通過一個隔直電容耦合。一個10V、50%占空比的驅(qū)動信號通過隔直電容后變成一個5V 直流偏置信號。偏置電壓為：V(驅(qū)動)×占空比這個例子中最終次級側(cè)驅(qū)動信號振幅從+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)又會減小噪聲抗擾性。對于占空比大于50%的情況，這個設(shè)計不實用，峰值幅度隨著占空比的增加而不斷減小。對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)會導(dǎo)致工作紊亂或損壞器件。當(dāng)偏置通過耦合電容后改變(由于占空比的改變)時，電容可能由于變壓器勵磁電感導(dǎo)致產(chǎn)生振蕩。這種振蕩會在計劃外的時間間隔中打開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，這種驅(qū)動通常稱為直流恢復(fù)型柵極驅(qū)動。二極管和次級側(cè)電容恢復(fù)了柵極驅(qū)動的直流電壓，可用于更大的占空比情況。這個電路和基本型電路同樣存在振蕩和可能的變壓器瞬態(tài)問題。這個電路在斷開期間還存在其他危險[1]。在斷開期間，初級電容無限期直接接在初級線圈兩邊。初級磁化電流不斷加強(qiáng)，使變壓器飽和。當(dāng)變壓器飽和后，變壓器次級變成短路，允許次級電容打開 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，通過謹(jǐn)慎的設(shè)計和評估，變壓器隔離柵極驅(qū)動在50%或更低占空比下都呈現(xiàn)相當(dāng)出色的性能。對于圖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)，這可能帶來更多意想不到的困難，而且需要在設(shè)計和評估中非常謹(jǐn)慎。高性能隔離直流/直流電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計人員通常會盡力提高效率并減小尺寸。而基于變壓器的隔離柵極驅(qū)動相對較大，不僅僅需要變壓器，還需要相關(guān)的復(fù)位器件。最近，部分廠家開始提供全集成隔離柵極驅(qū)動解決方案。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。

　　目前已有一類應(yīng)用廣泛的隔離器件系列在使用微芯片級變壓器來隔離穿過地隔離邊界的數(shù)字信號[3]。對于每一次輸入轉(zhuǎn)換，在編碼邊沿時用兩個脈沖表示一個上升沿，用一個脈沖表示一個下降沿。脈沖通過微變壓器耦合，并在次級解碼。初級側(cè)會周期發(fā)送一個刷新脈沖檢測直流正確性。次級側(cè)有一個看門狗定時器用于檢查刷新脈沖。

　　另一個系列的隔離器件采用高頻射頻調(diào)制來發(fā)送穿過地隔離邊界的數(shù)字信號[4]。在初級側(cè)，一個700MHz調(diào)制信號以鍵值"開"或"斷"代表輸入的"1"或"0"。次級側(cè)接收器從初級側(cè)發(fā)射器接收這個信號。解調(diào)器解碼RF信號，通過RF信號的有無狀態(tài)控制輸出狀態(tài)。生產(chǎn)商稱RF開/關(guān)鍵控方案提供了同類最佳的抗干擾度，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(yīng)技術(shù)[5]。使用這種方法時，當(dāng)初級側(cè)輸入為"1"，直流電流進(jìn)入一個微型線圈和一個集中器，產(chǎn)生一個聚焦磁場。在次級側(cè)有一個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。在磁場中，傳感器阻抗改變，從而改變電橋的平衡。次級側(cè)電路測量并調(diào)節(jié)電橋的輸出。廠家宣稱目前市場上所有高速數(shù)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。

　　所有這些新開發(fā)的全集成隔離器都非常實用。在通過隔離邊界發(fā)送柵極驅(qū)動信息時，它們承諾比基于變壓器的傳統(tǒng)柵極驅(qū)動隔離器具有更好的可靠性，同時尺寸也更小。對于任何隔離方案，電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用都可能相當(dāng)困難。另外一個必須謹(jǐn)慎對待的問題是dV/dt靈敏度。我們需要從一個地到另一個地快速轉(zhuǎn)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需要關(guān)心的問題。當(dāng)遇到外部磁場時，隔離器必須保持在一個合適的狀態(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)此類新技術(shù)都要求在器件的初級側(cè)和次級側(cè)分別提供一個獨立的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)問世。這些新隔離器技術(shù)的內(nèi)部實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)真的評估，電源變換器的總體性能必然取決于設(shè)計方案中最薄弱的器件。