減小隔離式同步柵極驅(qū)動(dòng)器的尺寸和復(fù)雜性

設(shè)計(jì)具有同步整流功能的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)方法是使用光耦合器或脈沖變壓器進(jìn)行隔離，并將它們與柵極驅(qū)動(dòng)器IC配接在一起。本文將說(shuō)明光耦合器和脈沖變壓器的局限性，并介紹一種集成度更高的方法，該方法具有更高的性能以及更小的解決方案尺寸和成本。

脈沖變壓器

使用脈沖變壓器耦合低電平信號(hào)、隔離它們并驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)具有優(yōu)勢(shì)，但也有一些局限性。脈沖變壓器在柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，脈沖變壓器可用于從3 V或5 V邏輯電平升壓至驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極所需的15 V或更高電平電壓。遺憾的是，為了驅(qū)動(dòng)大電流同步整流電路，可能需要一個(gè)單獨(dú)的高電流柵極驅(qū)動(dòng)器IC。脈沖變壓器在柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中需要考慮的另一點(diǎn)和主要缺點(diǎn)是，它們不能很好地處理占空比超過(guò)50%的信號(hào)。這是因?yàn)樽儔浩髦荒芴峁┙涣餍盘?hào)，因?yàn)楸仨毭堪雮€(gè)周期重置一次磁芯磁通，以保持伏秒平衡。

脈沖變壓器的另一個(gè)缺點(diǎn)是效率損失。當(dāng)使用脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極時(shí)，變壓器必須以正電平驅(qū)動(dòng)，然后以負(fù)電平驅(qū)動(dòng)，以保持伏秒平衡。用于驅(qū)動(dòng)負(fù)電平的能量不用于驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極;柵極僅按正電壓電平充電。對(duì)于變壓器由正直流電壓驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用，隔直電容器連接到變壓器輸入，變壓器由施加電壓的1/2的正電壓驅(qū)動(dòng)。這意味著負(fù)電壓也是施加電壓的1/2，因此脈沖變壓器的效率降低到50%。如果在變壓器輸出端增加一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，變壓器和柵極驅(qū)動(dòng)器的總效率將不再為50%，但僅脈沖變壓器就至少會(huì)有50%的效率損失。

這里已經(jīng)表明，柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中的脈沖變壓器具有占空比限制、效率差和解決方案尺寸較大的缺點(diǎn)，這使得它不適合高功率、高密度同步整流應(yīng)用。

光耦合器

與脈沖變壓器相比，使用光耦合器作為同步整流的柵極驅(qū)動(dòng)器具有一些優(yōu)勢(shì)，但使用光耦合器也有其自身的挑戰(zhàn)。光耦合器不需要像脈沖變壓器那樣保持伏秒平衡，因此它對(duì)占空比的限制與脈沖變壓器不同。但是，由于初級(jí)側(cè)發(fā)光二極管（LED）的電容（典型值為60 pF），光耦合器的響應(yīng)速度受到限制，并且驅(qū)動(dòng)二極管的速度高達(dá)1 MHz會(huì)受到其傳播延遲（最大值為100 ns）和緩慢上升和下降時(shí)間（最大值為30 ns）的限制。

在同步整流器應(yīng)用中使用光耦合器的一個(gè)主要問(wèn)題是通道之間時(shí)序的變化量。光耦合器采用塑料封裝作為分立器件構(gòu)建，通道間的變化無(wú)法像集成半導(dǎo)體工藝那樣控制，因此通道間匹配可能很大（最大40 ns）。在同步整流電路中，需要嚴(yán)格控制通道之間的時(shí)序，以幫助減少一個(gè)通道關(guān)斷和另一個(gè)通道導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間，否則效率將隨著開(kāi)關(guān)損耗的增加而受到影響。

由于電流傳輸比（CTR）的性質(zhì)，使用光耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)可能具有挑戰(zhàn)性，CTR定義了輸出晶體管上看到的電流量與驅(qū)動(dòng)LED所需電流量的比值。CTR受溫度和老化的影響，因此設(shè)計(jì)人員需要估計(jì)CTR在光耦合器的使用壽命和溫度范圍內(nèi)的變化。為了在工作條件下保持CTR，驅(qū)動(dòng)LED所需的電流可能超過(guò)10 mA，這對(duì)于高效設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)功耗可能過(guò)高。

此外，需要電阻來(lái)偏置LED和光電晶體管，并且需要柵極驅(qū)動(dòng)器IC來(lái)提供光耦合器無(wú)法為高功率同步整流器電源提供的高峰值電流。對(duì)于緊湊的先進(jìn)電源，光耦合器解決方案的尺寸將變得大得令人望而卻步。

ADUM3220 4 A柵極驅(qū)動(dòng)器

ADuM3220設(shè)計(jì)用作隔離系統(tǒng)中的4A柵極驅(qū)動(dòng)器，用于同步DC-DC轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)解決方案使用兩個(gè)隔離器和一個(gè)雙柵極驅(qū)動(dòng)器。如圖1所示，雙柵極驅(qū)動(dòng)器IC可以與兩個(gè)脈沖變壓器或兩個(gè)光耦合器通道配合使用，以提供相當(dāng)大的解決方案尺寸。鑒于電源應(yīng)用需要在小面積內(nèi)提供大量電源，如圖1所示，ADuM3220是一款體積小50%以上的解決方案，是一種集成度更高、成本更低的解決方案。

圖1.脈沖變壓器、光耦合器和ADuM3220柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案

同步整流使用 N 溝道 MOSFET 代替二極管來(lái)降低傳導(dǎo)損耗并提高要提供許多安培電流的電源的效率。實(shí)現(xiàn)同步DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)需要將次級(jí)MOSFET開(kāi)關(guān)與初級(jí)MOSFET開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)同步。圖2顯示了ADuM3220應(yīng)用電路，用于具有未調(diào)節(jié)輸出電壓的隔離式同步DC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖2.ADuM3220應(yīng)用原理圖和時(shí)序波形

DC-DC控制器將PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送到主交換機(jī)和次交換機(jī)。初級(jí)開(kāi)關(guān)Q1和Q2在推挽動(dòng)作中導(dǎo)通，在進(jìn)行定時(shí)之前斷開(kāi)以驅(qū)動(dòng)變壓器T1的兩個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈，如圖2的定時(shí)波形所示。T1的次級(jí)線(xiàn)圈需要與初級(jí)線(xiàn)圈同步切換，方法是在打開(kāi)Q1時(shí)打開(kāi)Q3，在打開(kāi)Q2時(shí)打開(kāi)Q4。請(qǐng)注意，如果顯示Q3'和Q4'PWM波形，它們將按ADuM3220的已知傳播延遲及時(shí)提前，以便Q3和Q4按預(yù)期及時(shí)出現(xiàn)。ADuM3220的典型傳播延遲僅為45 ns，其中包括數(shù)字隔離器延遲和柵極驅(qū)動(dòng)器延遲。通過(guò)將柵極驅(qū)動(dòng)器與隔離器集成，傳播延遲的規(guī)格更加精確，這是與分立脈沖變壓器和光耦合器解決方案相比的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)PWM開(kāi)關(guān)以高頻率執(zhí)行時(shí)，PWM控制信號(hào)需要非常嚴(yán)格的控制。例如，當(dāng)PWM頻率為ADuM3220最大開(kāi)關(guān)頻率1 MHz且占空比為50%時(shí)，脈沖寬度為500 ns。在如此小的脈沖寬度下，ADuM3220通道之間的匹配需要非常好，才能實(shí)現(xiàn)精確的開(kāi)關(guān)。ADuM3220的典型通道間匹配為1 ns，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)最大匹配為5 ns。ADuM3220通道之間的這種精確匹配有助于防止交叉?zhèn)鲗?dǎo)，保護(hù)MOSFET免受損壞，并允許最短的死區(qū)時(shí)間，從而降低開(kāi)關(guān)損耗并提高效率。

接下來(lái)，我們將考慮使用隔離反饋來(lái)嚴(yán)格控制輸出電壓的應(yīng)用，占空比不會(huì)固定為50%，而是會(huì)隨著控制輸出電壓而變化。在這些應(yīng)用中，在初級(jí)開(kāi)關(guān)都關(guān)閉期間，可能需要允許Q3和Q4開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，以防止Q3和Q4的體二極管導(dǎo)通，這會(huì)降低效率。圖3所示ADuM3221的應(yīng)用電路是一個(gè)4 A柵極驅(qū)動(dòng)器，與ADuM3220類(lèi)似，但沒(méi)有非重疊控制邏輯，允許Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通。與ADuM3220不同，ADuM3221柵極驅(qū)動(dòng)器的時(shí)序圖具有圖3所示的穩(wěn)壓輸出，允許開(kāi)關(guān)Q3和Q4在Q1和Q2均關(guān)斷時(shí)導(dǎo)通。

圖3.ADuM3221 具有穩(wěn)壓輸出和定時(shí)波形的應(yīng)用原理圖

總之，對(duì)于隔離式同步DC-DC應(yīng)用，ADuM3220/ADuM3221已被證明可將解決方案尺寸減小50%以上，通過(guò)集成降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并且比脈沖變壓器和光耦合器解決方案提供更高的時(shí)序性能。

審核編輯：郭婷