減小隔離式同步柵極驅(qū)動(dòng)器尺寸并降低復(fù)雜性的解決方案

帶同步整流功能的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是使用光耦合器或脈沖變壓器進(jìn)行隔離，并將其與一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器IC結(jié)合在一起。本文將說明光耦合器和脈沖變壓器的局限性，并提出一種集成度更高的方法，其性能更高，解決方案尺寸和成本則低得多。

脈沖變壓器

使用脈沖變壓器可以耦合低電平信號(hào)、提供隔離并驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)，這種方法雖然具有一定優(yōu)勢，但也存在一些局限性。在柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，脈沖變壓器的一個(gè)優(yōu)勢是可以將3 V或5 V邏輯電平提升到15 V或更高的電壓，以便驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極。遺憾的是，為了驅(qū)動(dòng)高電流同步整流器電路，可能需要一個(gè)單獨(dú)的高電流柵極驅(qū)動(dòng)器IC。還有一點(diǎn)需要考慮：脈沖變壓器不能很好地處理占空比超過50%的信號(hào)，這是它在柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中的一個(gè)主要缺點(diǎn)。原因在于變壓器只能提供交流信號(hào)，因?yàn)殍F芯磁通量必須每半個(gè)周期復(fù)位一次以維持伏秒平衡。

脈沖變壓器的另一個(gè)缺點(diǎn)是效率損失。使用脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極時(shí)，變壓器必須先用正電平驅(qū)動(dòng)，然后用負(fù)電平驅(qū)動(dòng)，以便維持伏秒平衡。用于驅(qū)動(dòng)到負(fù)電平的能量不用于驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極，僅正電平對柵極充電。在變壓器由正直流電壓驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用中，一個(gè)隔直電容連接到變壓器輸入端，并且變壓器由一個(gè)值為所施加電壓？的正電壓驅(qū)動(dòng)。這意味著，負(fù)電壓也是所施加電壓的？，因此脈沖變壓器的效率降低至50%。若將一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器添加到變壓器輸出端，則變壓器和柵極驅(qū)動(dòng)器的整體效率不再是50%，但脈沖變壓器本身仍然存在至少50%的效率損失。

綜上所述，脈沖變壓器在柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中具有如下缺點(diǎn)：占空比限制、效率低下、解決方案尺寸較大，因而不適合高功率、高密度同步整流應(yīng)用。

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

光耦合器

與脈沖變壓器相比，使用光耦合器作為柵極驅(qū)動(dòng)器來執(zhí)行同步整流具有一些優(yōu)勢，但光耦合器本身也存在一些挑戰(zhàn)。光耦合器不需要像脈沖變壓器那樣維持伏秒平衡，因而不存在脈沖變壓器所具有的占空比限制。但是，光耦合器的響應(yīng)速度受到原邊發(fā)光二極管（LED）電容（典型值為60 pF）的限制，而且將二極管驅(qū)動(dòng)至高達(dá)1 MHz的速度也會(huì)受到其傳播延遲（最大值為100 ns）以及較慢的上升和下降時(shí)間（最大值為30 ns）的限制。

光耦合器用于同步整流器應(yīng)用的一個(gè)主要問題是通道間的時(shí)序偏差。光耦合器是作為分立器件采用塑料封裝構(gòu)建的，通道間的差異無法像在集成半導(dǎo)體工藝中那樣進(jìn)行控制，因而通道間匹配可能很大（最大值為40 ns）。在同步整流電路中，通道間的時(shí)序需要精確控制，以便減少一個(gè)通道關(guān)閉與另一個(gè)通道開啟之間的死區(qū)時(shí)間，否則開關(guān)損耗會(huì)提高，效率會(huì)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)可能很困難；CTR定義輸出晶體管的電流量與驅(qū)動(dòng)LED所需的電流量之比。影響CTR的因素包括溫度和老化，因此設(shè)計(jì)工程師需要估計(jì)CTR在光耦合器壽命和溫度范圍內(nèi)的變化。為使CTR不隨工作條件而變化，驅(qū)動(dòng)LED所需的電流可能超過10 mA，這對于高效率設(shè)計(jì)而言功耗太大。

此外，對于高功率同步整流器電源，需要電阻來偏置LED和光電晶體管，需要柵極驅(qū)動(dòng)器IC來提供光耦合器無法提供的高峰值電流。對于先進(jìn)的緊湊型電源，光耦合器解決方案的尺寸顯得過大。

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，以實(shí)現(xiàn)同步DC-DC轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)解決方案使用2個(gè)隔離器和1個(gè)雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器。如圖1所示，一個(gè)雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器IC可以與兩個(gè)脈沖變壓器或兩個(gè)光耦合器通道相配合，由此構(gòu)成的解決方案尺寸相當(dāng)大。如果電源應(yīng)用要求在較小的面積上提供大量功率，則圖1所示的ADuM3220就是一種不錯(cuò)的解決方案，不僅面積縮小50%以上，而且集成度更高，成本更低。

同步整流采用N溝道MOSFET，而不是二極管，目的是降低傳導(dǎo)損耗，并提高需提供數(shù)安培電流的電源效率。實(shí)施同步DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)要求副MOSFET開關(guān)與主MOSFET開關(guān)保持開關(guān)同步。圖2顯示ADuM3220用于一個(gè)提供未調(diào)節(jié)輸出電壓的隔離式同步DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路。

DC-DC控制器向主開關(guān)和副開關(guān)發(fā)送PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主開關(guān)Q1和Q2在推挽動(dòng)作中以先開后合時(shí)序接通，驅(qū)動(dòng)變壓器T1的2個(gè)原線圈，如圖2的時(shí)序波形所示。T1的副線圈需要與主線圈同步開關(guān)，即Q1接通時(shí)Q3接通，Q2接通時(shí)Q4接通。請注意，如果顯示Q3和Q4 PWM波形的話，其時(shí)序應(yīng)提前一個(gè)等于ADuM3220已知傳播延遲的時(shí)間量，使得Q3和Q4在應(yīng)該出現(xiàn)的時(shí)間出現(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。柵極驅(qū)動(dòng)器與隔離器集成后，傳播延遲規(guī)格更精確，這是相對于分立脈沖變壓器和光耦合器解決方案的一個(gè)優(yōu)勢。

在高頻下執(zhí)行PWM開關(guān)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的最大開關(guān)頻率1 MHz且占空比為50%時(shí)，脈沖寬度為500 ns。如此小的脈沖寬度要求ADuM3220的通道間匹配非常出色，否則難以實(shí)現(xiàn)精確開關(guān)。ADuM3220的典型通道間匹配為1 ns，整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大值為5 ns。ADuM3220通道間的精密匹配特性有助于防止交叉導(dǎo)通，以免損壞MOSFET，并使死區(qū)時(shí)間最短，從而降低開關(guān)損耗，提高效率。

圖2. ADuM3220應(yīng)用原理圖和時(shí)序波形

接下來我們考慮利用隔離反饋嚴(yán)格控制輸出電壓的應(yīng)用，占空比不再是固定值50%，而是不斷變化以控制輸出電壓。這種應(yīng)用中，在主開關(guān)均斷開期間，可能希望允許Q3和Q4開關(guān)同時(shí)接通，以防止Q3和Q4的主體二極管導(dǎo)通，導(dǎo)致效率下降。圖3所示ADuM3221應(yīng)用電路使用4 A柵極驅(qū)動(dòng)器，它與ADuM3220非常相似，但不具有非重疊控制邏輯，因而允許Q3和Q4同時(shí)接通。與ADuM3220不同，圖3所示提供調(diào)節(jié)輸出的ADuM3221柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)序圖允許開關(guān)Q3和Q4在Q1和Q2均斷開時(shí)接通。

總而言之，對于隔離式同步DC-DC應(yīng)用，已經(jīng)證明：與脈沖變壓器和光耦合器解決方案相比，ADuM3220/ADuM3221能使解決方案尺寸縮小50%以上，通過集成降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并且時(shí)序性能大為改善。