進一步簡化，先進數(shù)字電源控制器設計

隔離在數(shù)字電源中的挑戰(zhàn)是在緊湊的面積下如何快速準確地傳輸數(shù)字信號或模擬信號通過隔離邊界。 然而，傳統(tǒng)光耦的解決方案有帶寬比較低，電流傳輸比(CTR)會隨溫度和時間發(fā)生大幅變化等問題。而變壓器的解決方案有體積龐大、磁飽和等問題。這些問題限制了光耦合器或變壓器在某些高可靠性應用、緊湊型應用以及長壽命應用中的使用。本文討論利用ADI公司iCoupler?產(chǎn)品的數(shù)字隔離技術(shù)，來解決在數(shù)字電源設計中遇到的這些問題。

在設計電源時，遵守安全標準對于保護操作人員及其他人員免受電擊和有害能量的侵害至關(guān)重要。隔離是滿足安全標準要求的重要方法。許多全球機構(gòu)（比如歐洲的VDE和IEC以及美國的UL）規(guī)定了不同輸入和輸出電壓（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)）水平的隔離要求。例如，在UL60950中介紹了五類絕緣：

• 功能絕緣：僅在設備正常運行時需要的絕緣。

• 基本絕緣：提供基本電擊防護的絕緣。

• 補充絕緣：基本絕緣外的獨立絕緣，用于在基本絕緣發(fā)生故障的情況下降低電擊風險。

• 雙重絕緣：包括基本絕緣和補充絕緣的一種絕緣。

• 加強絕緣：一種單一絕緣系統(tǒng)，提供一定程度的電擊防護，在本標準規(guī)定的條件下相當于雙重絕緣。

根據(jù)控制器的位置，隔離電源控制方式分為原邊控制和副邊控制兩種。表1對比了原邊控制和副邊控制的功能。在下表中，UVP和OVP分別代表欠壓保護和過壓保護。

表1. 原邊控制與副邊控制的功能對比

ADP1051是ADI公司先進的數(shù)字電源控制器，具有PMBus?接口，面向中間總線轉(zhuǎn)換器等高功率密度和高效率應用。2ADP1051基于靈活的狀態(tài)機架構(gòu)，提供眾多頗具吸引力的特性，比如反向電流保護、預偏置啟動、恒流模式、可調(diào)輸出電壓壓擺率、自適應死區(qū)時間控制以及伏秒平衡，與模擬解決方案相比，減少了大量的外部元件。一般而言，ADP1051更常用于副邊控制，因為它與系統(tǒng)通信非常方便。因此，同步整流器的PWM信號以及 VOUT檢測等信號無需跨越隔離邊界與系統(tǒng)進行通信。不過在這種情況下，需要輔助電源在啟動階段從原邊向副邊控制器ADP1051提供初始電力。此外，來自ADP1051的PWM信號需要跨越隔離邊界。下文討論了三種解決方案，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。

圖1顯示了采用柵極驅(qū)動變壓器解決方案的數(shù)字電源的功能框圖。在此解決方案中，副邊控制器ADP1051向ADP3654發(fā)送PWM信號，ADP3654是雙通道4 A MOSFET驅(qū)動器。ADP3654隨后驅(qū)動一個柵極驅(qū)動變壓器。柵極驅(qū)動變壓器的功能是將驅(qū)動信號從副邊傳輸?shù)皆叢Ⅱ?qū)動原邊MOSFET。輔助隔離電源在啟動階段為ADP1051供電。

柵極驅(qū)動變壓器解決方案的優(yōu)勢包括延時較少，成本更低。但需要更仔細的柵極驅(qū)動變壓器設計，因為變壓器每過一段時間就需要復位，否則將會飽和。對于半橋拓撲的柵極驅(qū)動變壓器設計，經(jīng)常采用雙端變壓器，如圖2所示。

圖2所示為由ADP3654驅(qū)動的柵極驅(qū)動變壓器的電路。ADP3654的VOA輸出和VOB輸出通過隔直電容CDC連接到柵極驅(qū)動變壓器。考慮到所有工作條件下所需的最大伏秒數(shù)，為半橋選擇最大50%的占空比。選擇磁芯后，可以使用下方的公式1計算初級繞組NP的數(shù)量：

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)的峰峰磁通密度變化，Ae是磁芯的等效橫截面積。當VOA驅(qū)動為高電平且VOB驅(qū)動為低電平時，Q1開啟，Q2關(guān)閉。當VOB驅(qū)動為高電平且VOA驅(qū)動為低電平時，Q2開啟，Q1關(guān)閉。需要注意的是，該柵極驅(qū)動變壓器適用于對稱半橋，不適用于非對稱半橋或其他有源鉗位拓撲。

圖3顯示了實施數(shù)字隔離器解決方案的數(shù)字電源的功能框圖。雙通道數(shù)字隔離器ADuM3210用作數(shù)字隔離，可將來自副邊控制器ADP1051的PWM信號傳輸?shù)皆叞霕蝌?qū)動器。

相比復雜的柵極驅(qū)動變壓器設計，數(shù)字隔離器解決方案尺寸更小，可靠性更高，使用更簡單。此解決方案沒有占空比限制，也沒有飽和問題。由于節(jié)省了50%以上的PCB空間，因此可實現(xiàn)高功率密度設計。

為了進一步簡化設計，集成了電氣隔離和強大柵極驅(qū)動功能的4A隔離式半橋柵極驅(qū)動器ADuM7223提供獨立的隔離式高端和低端輸出。圖4顯示了隔離式柵極驅(qū)動器解決方案。

在圖5中，將ADuM7223隔離式柵極驅(qū)動器配置為自舉柵極驅(qū)動器來驅(qū)動半橋。DBST是外部自舉二極管，CBST是外部自舉電容。在低端MOSFET Q2開啟的每個周期內(nèi)，VDD會通過自舉二極管為自舉電容充電。為最大限度降低功耗，需要使用正向壓降低且反向恢復時間短的超快二極管。

由于原邊控制無需輔助隔離電源，并且具有簡單的控制架構(gòu)，因此在某些低成本應用中，原邊控制更為普遍。根據(jù)隔離控制路徑，下文論述了三種解決方案：線性光耦合器、普通光耦合器（帶標準放大器）以及隔離式放大器。

隔離數(shù)字電源中的輸出電壓通常需要快速準確的隔離反饋。光耦合器經(jīng)常用于將來自副邊的模擬信號發(fā)送到原邊，但其CTR會隨著溫度而發(fā)生極大變化，且性能也會隨著時間推移而下降。圖6顯示了TCET1100的歸一化CTR與環(huán)境溫度特性。在該圖中，CTR的變化率在–25°C到+75°C的范圍內(nèi)會超過30%。

如果在反饋環(huán)路中直接使用普通光耦合器來傳輸輸出電壓時，很難保證輸出電壓精度。而普通光耦合器與誤差放大器配合使用，一般是傳輸補償信號而不是輸出電壓信號。而ADP1051在芯片內(nèi)部已實現(xiàn)了數(shù)字環(huán)路補償，因此不再需要補償信號。一種解決方案是使用線性光耦合器來線性傳輸輸出電壓，如圖7所示。但線性光耦合器成本高昂，這意味著用戶必須支付額外費用。

另外可使用一個普通光耦合器和一個標準放大器來實現(xiàn)原邊控制電路，如圖8所示。在本例中，可實現(xiàn)高輸出電壓精度，不會因為光耦合器的CTR溫度變化而發(fā)生大幅變化。測量結(jié)果表明，輸出電壓變化范圍為±1%，當CTR范圍為100%-200%。

CTR公式如下

當CTR隨溫度而變化時，放大器的輸出將補償此變化以保持輸出電壓的高精度。需要注意的是，放大器的穩(wěn)定工作點和擺幅范圍應設計得足以滿足CTR隨溫度而變化的要求，以防放大器的輸出飽和。

第三種解決方案是隔離式放大器，比如圖9所示的ADuM3190。ADuM3190是一種隔離式放大器，與光耦合器相比，具有高帶寬和高精度的特性，因此非常適合具有原邊控制器的線性反饋電源。與常用的光耦合器和分流穩(wěn)壓器解決方案相比，該解決方案在瞬態(tài)響應、功率密度和穩(wěn)定性方面均有所提高。只要設計得當，ADuM3190可實現(xiàn)±1%的輸出電壓精度。

如今由于電信、網(wǎng)絡及計算機電力系統(tǒng)的安全性、高可靠性、高功率密度以及智能管理的要求日益提高，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iCoupler ADuM3210、ADuM7223和ADuM3190結(jié)合數(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。

參考電路

1 Baoxing Chen. “微變壓器隔離有利于數(shù)字控制?！?Power Electronics Technology，2008年10月。

2 ADP1051數(shù)據(jù)手冊。ADI公司，2014年。

作者

Jason Duan

于2000年和2003年分別獲得西安交通大學電氣工程專業(yè)的學士學位和碩士學位。他于2007年加入了ADI公司位于上海的電源管理部。2013年，他從上海辦事處調(diào)動至圣何塞辦事處，擔任資深應用工程師。他目前專注于電源電子領(lǐng)域，包括開發(fā)先進的數(shù)字電源控制器、超低噪聲線性穩(wěn)壓器和多通道PMU產(chǎn)品。