柵極驅動變壓器和全集成隔離器在隔離直流/直流電源轉換器中的應用對比

摘要：本文通過介紹柵極驅動變壓器和全集成隔離器在隔離直流，直流電源轉換器具體應用過程中的開發經驗，分析了產品在應用中的具體情況并加以對比。

關鍵詞：柵極驅動變壓器；全集成隔離器；電源轉換器；NS

所有的隔離直流／直流電源轉換器都包括輸入濾波器、輸出濾波器、變壓器、初級開關、次級整流和一個控制器。控制器既可以參考初級地，也可以參考次級地。圖1顯示了一種隔離半橋電源轉換器，其控制器以初級邊地作為參考地。隔離邊界上總共有4個交叉點：電源變壓器、反饋信號，還有2個同步整流MOSFET控制信號。因為反饋信號是相對較慢的模擬信號，通常使用一個光耦來進行隔離反饋信號。大多數光耦在用于同步MOSFET柵極驅動隔離時都太慢。現在也有適用的快速光耦，不過這會導致成本大幅提高。

過去，大多數常規方案使用柵極驅動變壓器隔離同步整流柵極驅動信號。這些變壓器可用于直接驅動MOSFET柵極，或者僅僅隔離次級柵極驅動集成電路的控制信號。變壓器不能傳輸直流信號。確定尺寸的變壓器只能通過隔離邊界傳輸有限的電壓和時間乘積。每次導通后變壓器都需要重新啟動，這影響了占空比限制。柵極驅動變壓器也存在一些難題和限制。一些生產商最近日開始提供全集成器件替代傳統的柵極驅動變壓器。

圖2顯示了最基本的變壓器隔離柵極驅動。輸入通過一個隔直電容耦合。一個10V、50％占空比的驅動信號通過隔直電容后變成一個5V直流偏置信號。偏置電壓為：v(驅動)×占空比這個例子中最終次級側驅動信號振幅從+5V到-5V。負截止區具有良好的噪聲抗擾性能，但是半峰值導通區又會減小噪聲抗擾性。對于占空比大干50％的情況，這個設計不實用，峰值幅度隨著占空比的增加而不斷減小。

對占空比變化很快的應用必須保持謹慎，如瞬態響應會導致工作紊亂或損壞器件。當偏置通過耦合電容后改變(由于占空比的改變)時，電容可能由于變壓器勵磁電感導致產生振蕩。這種振蕩會在計劃外的時間間隔中打開MOSFET。大電容值、柵極電阻或者降低占空比變化速度對減少振蕩都有幫助。但是選擇太大的電容會導致變壓器在瞬態期間飽和。

圖3顯示了另外一種變壓器隔離柵極驅動，這種驅動通常稱為直流恢復型柵極驅動。二極管和次級側電容恢復了柵極驅動的直流電壓，可用于更大的占空比情況。這個電路和基本型電路同樣存在振蕩和可能的變壓器瞬態問題。這個電路在斷開期間還存在其他危險。在斷開期間，初級電容無限期直接接在初級線圈兩邊。初級磁化電流不斷加強，使變壓器飽和。當變壓器飽和后，變壓器次級變成短路，允許次級電容打開MOSFET，這可能損壞電源轉換器。小容量耦合電容有助于減少這一影響。軟停止控制器也可提供幫助，這種控制器能夠逐漸減小而不是突然停止占空比。

一般而言，通過謹慎的設計和評估，變壓器隔離柵極驅動在50％或更低占空比下都呈現相當出色的性能。對于圖1所示的電源轉換器應用，需要同步整流器提供足夠高的占空比(遠大于50％)。對于這種高占空比應用，變壓器隔離需要直流恢復技術，這可能帶來更多意想不到的困難，而且需要在設計和評估中非常謹慎。高性能隔離直流／直流電源轉換器的設計人員通常會盡力提高效率并減小尺寸。而基于變壓器的隔離柵極驅動相對較大，不僅僅需要變壓器，還需要相關的復位器件。最近，部分廠家開始提供全集成隔離柵極驅動解決方案。這些解決方案采用了多種不同的隔離技術，包括微型變壓器、射頻調制電容耦合以及巨磁阻傳感器。

目前已有一類應用廣泛的隔離器件系列在使用微芯片級變壓器來隔離穿過地隔離邊界的數字信號。對于每一次輸入轉換，在編碼邊沿時用兩個脈沖表示一個上升沿，用一個脈沖表示一個下降沿。脈沖通過微變壓器耦合，并在次級解碼。初級側會周期發送一個刷新脈沖檢測直流正確性。次級側有一個看門狗定時器用于檢查刷新脈沖。

另一個系列的隔離器件采用高頻射頻調制來發送穿過地隔離邊界的數字信號。在初級側，一個700MHz調制信號以鍵值“開”或“斷”代表輸入的“1”或“0”。次級側接收器從初級側發射器接收這個信號。解調器解碼RF信號，通過RF信號的有無狀態控制輸出狀態。生產商稱RF開／關鍵控方案提供了同類最佳的抗干擾度，因為所需狀態信息始終在以非常快的速度發送和接收。

還有另外一種方案采用了GMR(巨磁阻傳感器)感應技術。使用這種方法時，當初級側輸入為“1”，直流電流進入一個微型線圈和一個集中器，產生一個聚焦磁場。在次級側有一個巨磁阻傳感器納米器件，它由采用超薄非導磁中間層的鐵磁體合金制成。傳感器按照惠斯通電橋配置排列。在磁場中，傳感器阻抗改變，從而改變電橋的平衡。次級側電路測量并調節電橋的輸出。廠家宣稱目前市場上所有高速數字隔離器件中，因為這種技術采用了巨磁阻傳感器，因此擁有最低的EMC噪聲特性。

所有這些新開發的全集成隔離器都非常實用。在通過隔離邊界發送柵極驅動信息時，它們承諾比基于變壓器的傳統柵極驅動隔離器具有更好的可靠性，同時尺寸也更小。對于任何隔離方案，電源轉換器應用都可能相當困難。另外一個必須謹慎對待的問題是dV／dt靈敏度。我們需要從一個地到另一個地快速轉換電勢，了解在瞬態中和瞬態后隔離器差分輸出是否保持狀態。

電磁靈敏度是另一個需要關心的問題。當遇到外部磁場時。隔離器必須保持在一個合適的狀態中。許多新型器件的工作溫度都限制在85℃以下，這個溫度在某些電源轉換器的應用中可能太低。大多數此類新技術都要求在器件的初級側和次級側分別提供一個獨立的5V偏置。和傳統的隔離變壓器相比，這可能需要增加支持器件。這些新器件的輸入通常針對TTL閾值進行配置，最高支持到5V。一些新型控制器(例如NS的LM5035C)提供0-5V的控制輸出，以便直接兼容這種新型隔離器。

最近還有許多頗有前景的隔離器技術問世。這些新隔離器技術的內部實際工作原理截然不同，包括隔離器采用的微變壓器脈沖、RF鍵控和巨磁阻傳感器也非常不同。因此在采用任何新技術前都必須進行認真的評估，電源變換器的總體性能必然取決于設計方案中最薄弱的器件。