高功率電源應(yīng)用中的數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)器解決方案

在電源與充電樁等高功率應(yīng)用中，通常需要專用驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)最后一級(jí)的功率晶體管。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)微控制器輸出并沒(méi)有針對(duì)功率晶體管的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，如足夠的驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)保護(hù)功能等，而且直接用微控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)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(dāng)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(qū)動(dòng)器，可以有效放大控制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而更快地對(duì)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(qū)動(dòng)？

給功率管增加驅(qū)動(dòng)的方式有兩種，一種是非隔離驅(qū)動(dòng)，一種是隔離驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)電路里面經(jīng)常見(jiàn)到非隔離驅(qū)動(dòng)，在高壓應(yīng)用中一般采用半橋非隔離驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)有高低兩個(gè)通道，低側(cè)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(cè)則除了緩沖器，還包含高電壓電平轉(zhuǎn)換器。

非隔離驅(qū)動(dòng)有很多局限性。首先，非隔離驅(qū)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(shù)非隔離驅(qū)動(dòng)器的工作電壓都不超過(guò)700伏。其次，當(dāng)高側(cè)功率管關(guān)閉而低側(cè)功率管打開(kāi)時(shí)，由于寄生電感效應(yīng)，兩管之間的電壓可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，而非隔離驅(qū)動(dòng)耐負(fù)壓能力較弱，所以如果采用非隔離驅(qū)動(dòng)，應(yīng)特別注意兩管間電路設(shè)計(jì)。第三，非隔離驅(qū)動(dòng)中需要用到高電壓電平轉(zhuǎn)換器，高電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中通常加入濾波器，這會(huì)增加傳播延遲，而低側(cè)驅(qū)動(dòng)器就需要額外增加傳輸延遲，以匹配高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，這就既增加了成本，又使得延遲很長(zhǎng)。第四，非隔離驅(qū)動(dòng)與控制芯片共地，不夠靈活，無(wú)法滿足現(xiàn)在許多復(fù)雜的拓?fù)潆娐芬螅缭谌?a target="_blank">PFC三電平拓?fù)渲?，要求多個(gè)輸出能夠轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)。

相比非隔離驅(qū)動(dòng)，隔離驅(qū)動(dòng)就有很多優(yōu)勢(shì)，這里以數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)來(lái)做說(shuō)明。在數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)器內(nèi)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(hào)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，可以滿足高耐壓需求，隔離驅(qū)動(dòng)可以承受10kV以上的浪涌電壓。此外，兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)之間，也有絕緣材料建構(gòu)的隔離帶，所以與非隔離驅(qū)動(dòng)要求與控制信號(hào)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?fù)湫枰?/p>

數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)

光耦隔離是傳統(tǒng)的隔離方式，但與數(shù)字隔離相比，光耦隔離在性能和面積上都不占優(yōu)勢(shì)。

首先，光耦隔離方案?jìng)鬏斞舆t較大，通常在百納秒以上。在光耦隔離方案中，LED將柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再通過(guò)光電二極管等光敏電路轉(zhuǎn)換為待測(cè)電信號(hào)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，常見(jiàn)的光耦傳播延遲在幾百納秒甚至微秒級(jí)。高速光耦通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部寄生參數(shù)、增加LED驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度等設(shè)計(jì)，可在幾十納秒時(shí)間內(nèi)接通和斷開(kāi)，但成本會(huì)上升很多。

常規(guī)光耦方案的傳播延遲甚至不如非隔離驅(qū)動(dòng)。在半橋非隔離驅(qū)動(dòng)中，因?yàn)樵黾犹砑恿怂俣容^慢的高電壓電平轉(zhuǎn)換器，以及去毛刺和濾波電路，常見(jiàn)延遲時(shí)間可達(dá)到100納秒，因?yàn)榈蛡?cè)要與高側(cè)匹配，所以要在低側(cè)添加一個(gè)單獨(dú)的延遲時(shí)鐘，整個(gè)系統(tǒng)傳播延遲在100納秒左右。

數(shù)字隔離驅(qū)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(nèi)部邏輯延遲和去毛刺濾波設(shè)計(jì)，所以延遲到幾十納秒。以納芯微NSi6602為例，隔離驅(qū)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?yàn)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電檢測(cè)器中的LED開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間并不總是對(duì)稱，且溫度越高不對(duì)稱越嚴(yán)重，所以光耦脈寬失真比較嚴(yán)重，光耦方案脈寬失真范圍從幾十納秒到幾百納秒。

數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)的脈寬失真主要由振蕩器計(jì)時(shí)精度、隔離層傳輸特性和接收端檢測(cè)電路造成。NSi6602可將脈寬失真控制在6納秒以內(nèi)，在脈寬失真這項(xiàng)參數(shù)上，數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)也是大幅領(lǐng)先。

其他在設(shè)計(jì)中要注意的參數(shù)

除了傳播延遲和脈寬失真。在半橋拓?fù)渲?，如果使用單通道隔離驅(qū)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(qū)動(dòng)在工作時(shí)結(jié)溫可能也會(huì)有差異，溫度差也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸延時(shí)。對(duì)NSi6602這種高集成的雙通道半橋數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)而言，就不太需要考慮延時(shí)匹配問(wèn)題，這是因?yàn)樵诜庋b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(duì)接收器，這樣制造差異影響最小，而一對(duì)接收器封裝在同一個(gè)芯片中，也能減少溫度差異對(duì)延時(shí)的影響。NSi6602可將上下通道的延時(shí)匹配這個(gè)指標(biāo)控制在5納秒以內(nèi)。

共模瞬態(tài)抗干擾度（CMTI）也是一個(gè)需要注意的指標(biāo)。特別是如果驅(qū)動(dòng)后級(jí)接的是碳化硅功率管，這是因?yàn)樘蓟韫β使芗纳娙莞?，所以電壓瞬態(tài)變化值更大，同樣一個(gè)系統(tǒng)，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(biāo)。NSi6602的CMTI達(dá)到±150kV/μs，驅(qū)動(dòng)碳化硅功率管毫無(wú)壓力。

在5G基站、數(shù)據(jù)中心和充電樁中的應(yīng)用

隨著開(kāi)關(guān)電源的小型化和智能化，在5G通信、數(shù)據(jù)中心、充電樁和車載電源中，工程師越來(lái)越多選擇隔離驅(qū)動(dòng)以增強(qiáng)電源性能。

由于歷史原因，通信系統(tǒng)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(shè)備內(nèi)部通常采用升降壓式（Buck-Boost）非隔離拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)輸入負(fù)壓到輸出正壓的轉(zhuǎn)換。但伴隨5G的到來(lái)，基站部署數(shù)量增加，基站設(shè)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(qū)動(dòng)會(huì)帶來(lái)很多好處。

非隔離驅(qū)動(dòng)需要與控制芯片共地，所以非隔離驅(qū)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(qū)動(dòng)，則可以把控制芯片與驅(qū)動(dòng)接到不同的接地點(diǎn)，控制芯片可以接在PGND（即設(shè)備地），所以不易受雷擊與浪涌影響，抗干擾能力強(qiáng)。而且，控制芯片接到設(shè)備地也使得其與上位機(jī)通信更加方便，不需要再加總線隔離芯片，輸出采樣也不用隔離，電源性能更穩(wěn)定，采樣保護(hù)更及時(shí)。

在數(shù)據(jù)中心交流轉(zhuǎn)直流（AC-DC）電源中，也可以通過(guò)加入NSi6602隔離半橋驅(qū)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(gòu)中，還可以通過(guò)增加隔離半橋驅(qū)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(shù)量，并提高電源效率。

在新能源汽車充電樁中的直流轉(zhuǎn)交流電源通常采用三相交流供電，由于該設(shè)備須人員操作，所以在安全標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)隔離，以滿足系統(tǒng)對(duì)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(qū)動(dòng)就是最好的選擇。

事實(shí)上，充電樁直流輸出高達(dá)800V，而非隔離驅(qū)動(dòng)最高耐壓只有700V，無(wú)法滿足充電樁應(yīng)用的基本要求。而變壓器隔離驅(qū)動(dòng)效率低、器件多、面積大。以NSi6602為代表的數(shù)字隔離驅(qū)動(dòng)則具有高集成特性，成本更低，而且滿足加強(qiáng)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(qū)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(tǒng)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(dá)95%

此電源方案的半橋功率管驅(qū)動(dòng)部分與副邊同步整流功率管驅(qū)動(dòng)部分采用了納芯微高集成度、高可靠性隔離半橋驅(qū)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?fù)?，本電源具備UVLOOVPOCPOTP等多種保護(hù)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(xì)資料和數(shù)據(jù)，請(qǐng)參考納芯微官網(wǎng)。

總結(jié)

在5G通信、數(shù)據(jù)中心、充電樁和車載電源等應(yīng)用中，無(wú)論是與非隔離驅(qū)動(dòng)，還是與光耦隔離驅(qū)動(dòng)相比，數(shù)字隔離驅(qū)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(shì)，由于集成度高，成本優(yōu)勢(shì)也很明顯，特別適合當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)智能化、小型化的趨勢(shì)。