數(shù)字電源中的隔離—為什么以及如何

隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信基礎(chǔ)設(shè)施的急劇增長，數(shù)字控制技術(shù)在電信、網(wǎng)絡(luò)和計算機的電力系統(tǒng)中越來越受歡迎，因為它們可以提供有吸引力的優(yōu)勢，包括靈活性、減少元件數(shù)量、先進的控制算法、系統(tǒng)通信、對外部噪聲的低敏感性和參數(shù)變化。數(shù)字電源廣泛應(yīng)用于高端服務(wù)器、存儲、電信磚模塊等。對于這些應(yīng)用，通常需要隔離。

數(shù)字電源中隔離的挑戰(zhàn)在于以快速、精度和緊湊的尺寸跨越隔離柵發(fā)送數(shù)字或模擬信號。1然而，傳統(tǒng)的光耦合器解決方案具有低帶寬和電流傳輸比（CTR），這會導(dǎo)致溫度隨溫度變化很大，并隨時間問題而退化。變壓器解決方案還存在體積尺寸、磁飽和問題等。這些問題限制了光耦合器或變壓器在一些高可靠性、緊湊尺寸和長壽命應(yīng)用中的使用。本文討論數(shù)字隔離技術(shù)，以解決ADI公司i耦合器產(chǎn)品在數(shù)字電源設(shè)計中的這些問題。

為什么需要隔離

在設(shè)計電源時，遵守安全標(biāo)準(zhǔn)對于保護操作員和其他人員免受電擊和危險能量的影響至關(guān)重要。隔離是滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的重要方法。隔離要求規(guī)定了不同級別的輸入和輸出電壓 - 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài) - 由世界各地的許多機構(gòu)提供，如歐洲的VDE和IEC以及美國的UL。例如，UL60950中引入了五類絕緣：

功能性絕緣：僅對設(shè)備正常運行所必需的絕緣。

基本絕緣：絕緣層提供基本的防觸電保護。

補充絕緣：除基本絕緣外，還應(yīng)用了獨立絕緣，以降低基本絕緣發(fā)生故障時的觸電風(fēng)險。

雙重絕緣：包括基本絕緣和補充絕緣的絕緣。

加強絕緣：提供一定程度的防觸電保護的單絕緣系統(tǒng)，在本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下相當(dāng)于雙重絕緣。

初級側(cè)控制和次級側(cè)控制比較

根據(jù)控制器的位置，隔離電源控制方法分為兩種：一次側(cè)控制和二次側(cè)控制。表1顯示了初級側(cè)控制和次級側(cè)控制之間的功能比較。UVP 和 OVP 分別代表下表中的欠壓保護和過壓保護。

二次側(cè)控制

ADP1051是ADI公司的先進數(shù)字電源控制器，內(nèi)置PMBus?接口，面向中間總線轉(zhuǎn)換器等高功率密度和高效率應(yīng)用。2ADP1051基于靈活的狀態(tài)機架構(gòu)，提供許多吸引人的特性，如反向電流保護、預(yù)偏置啟動、恒流模式、可調(diào)輸出電壓壓擺率、自適應(yīng)死區(qū)時間控制和片內(nèi)伏秒平衡，與模擬解決方案相比，減少了大量外部元件。通常，ADP1051更常用作副邊控制，因為它很容易與系統(tǒng)通信。因此，同步整流器的PWM信號和V等信號外傳感不需要跨越隔離邊界即可與系統(tǒng)通信。但是，在這種情況下，需要輔助電源在啟動階段從初級側(cè)向次級側(cè)控制器ADP1051提供初始電源。此外，來自ADP1051的PWM信號需要跨越隔離邊界。本文討論了三種方法，即柵極驅(qū)動變壓器、數(shù)字隔離器和隔離式柵極驅(qū)動器。

柵極驅(qū)動變壓器

圖1顯示了采用柵極驅(qū)動變壓器解決方案的數(shù)字電源框圖。在這種方法中，次級控制器ADP1051向ADP3654發(fā)送PWM信號，ADP3654是一款雙通道、4 A MOSFET驅(qū)動器。然后，ADP3654驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動變壓器。柵極驅(qū)動變壓器的作用是將驅(qū)動信號從次級側(cè)傳輸?shù)匠跫墏?cè)，并驅(qū)動初級側(cè)MOSFET。輔助隔離電源在啟動階段為ADP1051供電。

圖1.柵極驅(qū)動變壓器，由ADP3654解決方案驅(qū)動。

柵極驅(qū)動變壓器解決方案的優(yōu)點包括時間延遲小和成本低。但是，ADP3654需要更仔細地設(shè)計柵極驅(qū)動變壓器，因為變壓器需要在導(dǎo)通一段時間后復(fù)位，否則會飽和。在半橋拓撲的柵極驅(qū)動變壓器設(shè)計方面，通常采用雙端變壓器，如圖2所示。

圖2.雙端柵極驅(qū)動變壓器。

圖2顯示了由ADP3654驅(qū)動的柵極驅(qū)動變壓器電路。The ADP3654s V辦公電和 V實況轉(zhuǎn)播輸出通過隔直電容C連接到柵極驅(qū)動變壓器直流.考慮到所有工作條件下所需的最大伏秒，為半橋選擇最大 50% 占空比。一旦選擇了磁芯，初級繞組的數(shù)量NP可以使用公式1計算：

其中 VDD是初級繞組兩端的電壓，fs是開關(guān)頻率，?B是半個開關(guān)周期內(nèi)的峰峰值磁通密度變化，A是e是磁芯的等效橫截面積。當(dāng) V辦公電驅(qū)動高電平和 V實況轉(zhuǎn)播驅(qū)動器低電平，Q1 打開，Q2 關(guān)閉。當(dāng) V實況轉(zhuǎn)播驅(qū)動高電平和 V辦公電驅(qū)動器低電平，Q2 打開，Q1 關(guān)閉。請注意，該柵極驅(qū)動變壓器適用于對稱半橋，但不適用于非對稱半橋或其他有源鉗位拓撲。

數(shù)字隔離器

圖3所示為實現(xiàn)數(shù)字隔離器解決方案的數(shù)字電源框圖。雙通道數(shù)字隔離器ADuM3210用作數(shù)字隔離，將PWM信號從次級側(cè)控制器ADP1051傳輸?shù)匠跫墏?cè)半橋驅(qū)動器。

圖3.數(shù)字隔離器解決方案。

與復(fù)雜的柵極驅(qū)動變壓器設(shè)計相比，數(shù)字隔離器解決方案更小、更可靠、更易于使用。占空比沒有限制，該解決方案不存在飽和問題。由于可節(jié)省超過50%的PCB空間，因此該解決方案可以實現(xiàn)高功率密度設(shè)計。

隔離式柵極驅(qū)動器

為了進一步簡化設(shè)計、集成電氣隔離和強大的柵極驅(qū)動能力，ADuM7223、4 A隔離式半橋柵極驅(qū)動器可以提供獨立的隔離式高端和低端輸出。隔離式柵極驅(qū)動器解決方案如圖4所示。

圖4.隔離式柵極驅(qū)動器解決方案。

在圖5中，隔離式柵極驅(qū)動器ADuM7223配置為自舉柵極驅(qū)動器，以驅(qū)動半橋。D英國夏令時是一個外部自舉二極管和 C英國夏令時是一個外部自舉電容器。在低側(cè)MOSFET Q2導(dǎo)通的每個周期內(nèi)，VDD通過自舉二極管對自舉電容充電。為了最大限度地降低功耗、低正向壓降和快速反向恢復(fù)時間，需要超快二極管。

圖5.配置為自舉柵極驅(qū)動器的隔離柵極驅(qū)動器。

初級側(cè)控制

由于初級側(cè)控制不需要輔助隔離電源，并且具有簡單的控制架構(gòu)，因此在一些低成本應(yīng)用中，使用初級側(cè)控制更為普遍。根據(jù)隔離控制路徑，討論了三種方法：線性光耦合器、帶標(biāo)準(zhǔn)放大器的通用光耦合器和隔離放大器。

線性光耦合器

隔離數(shù)字電源中的輸出電壓通常需要快速準(zhǔn)確的隔離反饋。光耦合器通常用于將模擬信號從次級側(cè)發(fā)送到初級側(cè)，但光耦合器的CTR隨溫度變化范圍很寬，并且隨時間而降低。圖 6 顯示了 TCET1100 的歸一化 CTR 與環(huán)境溫度特性的關(guān)系。從這個數(shù)字來看，從–25°C到+ 75°C，CTR的變化將超過30%。

圖6.歸一化點擊率與 TECT1100 的溫度的關(guān)系。

使用直接在反饋環(huán)路中使用通用光耦合器來傳輸輸出電壓很難保證輸出電壓精度。通用光耦合器與誤差放大器一起使用，以傳輸補償信號而不是輸出電壓。ADP1051已經(jīng)在芯片內(nèi)部實現(xiàn)了數(shù)字環(huán)路補償，因此不再需要補償信號。解決這個問題的一種方法是使用線性光耦合器解決方案線性傳輸輸出電壓，如圖7所示。線性光耦合器的成本很高，這意味著用戶必須支付溢價。

圖7.線性光耦合器解決方案。

帶標(biāo)準(zhǔn)放大器的通用光耦合器

另一個電路可以使用通用光耦合器和標(biāo)準(zhǔn)放大器來實現(xiàn)初級側(cè)控制，如圖8所示。在這種情況下，可以實現(xiàn)高輸出電壓精度，而不會因溫度變化而受到光耦合器寬CTR范圍的影響。測量結(jié)果表明，輸出電壓變化在±1%范圍內(nèi)，CTR范圍為100%至200%。

圖8.帶放大器解決方案的光耦合器。

點擊率的公式為

當(dāng)CTR隨溫度變化時，放大器的輸出將補償變化，以保持輸出電壓的高精度。請注意，放大器的穩(wěn)定工作點和擺幅范圍應(yīng)設(shè)計良好，以滿足CTR隨溫度要求的變化，以防放大器的輸出飽和。

隔離放大器

第三種方法是隔離放大器，如ADuM3190，如圖9所示。ADuM3190是一款隔離式放大器，與光耦合器相比，它具有高帶寬和高精度，非常適合帶初級側(cè)控制器的線性反饋電源。與常用的光耦合器和并聯(lián)穩(wěn)壓器解決方案相比，這提高了瞬態(tài)響應(yīng)、功率密度和穩(wěn)定性。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，ADuM3190可以實現(xiàn)±1%的輸出電壓精度。

圖9.隔離放大器解決方案。

結(jié)論

由于當(dāng)今電信、網(wǎng)絡(luò)和計算機等電力系統(tǒng)對安全性、高可靠性、高功率密度和智能管理的要求越來越高，隔離技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。與傳統(tǒng)的光耦合器和變壓器解決方案相比，ADI公司的i耦合器ADuM3210、ADuM7223和ADuM3190采用數(shù)字電源控制器ADP1051，可提供高可靠性、高帶寬和高功率密度的解決方案。

審核編輯：郭婷