具有快速開關頻率的電源已大幅提升安全性

　　引言

　　隔離電源系統(tǒng)被廣泛應用于服務器系統(tǒng)、工業(yè)應用以及電信和網(wǎng)絡設備中。在這個對帶寬有強烈需求的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時代，越來越多的此類系統(tǒng)需要高效供電，從而帶來了對低功耗、高性價比解決方案的更多需求。

　　隨著設備變得越來越小，電源也必須跟隨著變小。因此，當今設計人員的首要目標是：將單位體積功率(W/mm3)最大化。實現(xiàn)這一目標的一種方法是使用更高性能的電源開關。目前在這一領域已經(jīng)有很多重要的創(chuàng)新，并且令人興奮的全新產(chǎn)品現(xiàn)在也已面市，這些產(chǎn)品擁有高速開關切換能力，可以提供更高的系統(tǒng)效率和更小的器件尺寸。

　　這些新型電源開關包括新一代更快的、基于硅的MOSFET，以及像鎵氮化物(GaN)或碳化硅(SiC)基質(zhì)這些更新的技術。

　　與硅技術的垂直結構相比，新技術的橫向結構使其成為低電荷設備，因此能夠在幾納秒(ns)內(nèi)轉換幾百伏。這非常適合快速開關系統(tǒng)。

　　其它優(yōu)點包括較高的電場強度和電子遷移率，這意味著對于給定的擊穿電壓和導通電阻，開關尺寸可以小很多。另外，它們也具有更寬的帶隙(Band Gap)，這意味著它們可以在更高的頻率和更高的電流下安全地操作。

　　然而，對于電源來說，快速切換并非沒有代價——它產(chǎn)生高噪聲瞬變，這可能會導致調(diào)制丟失，或由于閂鎖效應(Latch-up)而永久損壞整個系統(tǒng)。為了解決這個問題，用于驅(qū)動這些新型電源開關的器件的噪聲抗擾度必須得到顯著的改善。本文介紹了這些新技術以及設計人員如何能夠武裝自己以應對未來電源設計方面的挑戰(zhàn)。

　　電源轉換器系統(tǒng)

　　讓我們來仔細看看廣泛存在的開關模式電源(SMPS)，其中功率開關是最關鍵的部分。SMPS從交流到直流(AC-DC)或者從直流到直流(DC-DC)轉換其輸入功率，并且在大多數(shù)情況下，它們也改變電壓電平以適應應用的需要。

　　圖1.典型的AC-DC SMPS開關電源框圖

　　該圖顯示了一個典型的AC-DC SMPS開關電源框圖。首先，將交流輸入電壓整流成直流電壓。然后，在電源開關級使用柵極驅(qū)動器調(diào)制該直流電壓以控制調(diào)制過程?？刂破魃煽刂菩盘?，柵極驅(qū)動器用其來調(diào)制電源開關。該開關電壓通過一個帶有預期匝數(shù)比(Turns RaTIo)的隔離變壓器來耦合，從而在輸出時獲得正確的電壓電平。然后該電壓由同步FET整流回直流。同步FET也需要柵極驅(qū)動器以控制其開關。電流和/或電壓傳感器監(jiān)測輸出，并且提供反饋到控制器以微調(diào)調(diào)制方案，從而獲得最佳性能。

　　電源轉換器系統(tǒng)性能

　　正如前面提到的，設計人員面臨的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)單位體積中的最高功率。要做到這一點，最好的辦法是提高系統(tǒng)效率。通過開關和/或傳導而損耗的功率會產(chǎn)生熱量，它們還必須通過散熱片安全地釋放掉，但也由于散熱片的尺寸而增加了總體積。因此，創(chuàng)建一種更高效的設計有兩大好處——增加有用輸出功率和減小總體積。

　　為了實現(xiàn)這一目標，同時保持安全性，可用的最佳手段之一就是提高開關速率和頻率。這樣做具有以下優(yōu)點：

　　· 更快的開關時間減小了電源開關損耗和散熱片的必要尺寸;

　　· 更高的調(diào)制頻率減小了輸出電容和電感的尺寸和成本;

　　· 更高的調(diào)制頻率減小了磁性材料(鐵氧體等)的不利影響;

　　· 更高的調(diào)制頻率改善了瞬態(tài)響應，防止電壓過沖/下沖(Voltage Over/Under-shoot)。

　　在這些優(yōu)點備受青睞的同時，也有一項風險牽涉其中。如下圖所示，更快的開關會導致更高的開關瞬變。在當前采用GaN電源開關設計的最先進的系統(tǒng)中，開關時間通常約為5ns，或者比傳統(tǒng)系統(tǒng)快約10至20倍。例如，一根典型的600V高壓線將導致一個120 kV/µs的瞬變(600V/5ns=120V/ns或者120kV/µs)。

　　圖2.電源轉換器中的開關瞬變

　　關鍵規(guī)格：共模瞬變抗擾度(CMTI)

　　這種高噪聲瞬變會導致柵極驅(qū)動器失去信號完整性，或者“毛刺”，從而導致系統(tǒng)調(diào)制失敗;或者更糟的是，生成一個偽信號，其可能觸發(fā)兩個功率MOSFET同時接通，從而引發(fā)危險的電氣短路情況。高瞬變也可能造成柵極驅(qū)動器進入一種永久的閂鎖狀態(tài)，這也會引發(fā)危險情況。

　　控制電源開關的柵極驅(qū)動器的設計必須能夠承受這些噪聲瞬變，同時不會造成毛刺或閂鎖。驅(qū)動器承受這些共模噪聲瞬變的能力被定義為共模瞬變抗擾度(CMTI)，它由大多數(shù)廠商通常列在其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中的一項規(guī)格來定義，并以kV/µs為單位來表示。在上面的示例中，柵極驅(qū)動器的CMTI規(guī)格應該已被清楚地確定為至少120kV/µs。

　　隔離柵極驅(qū)動器的選擇項

　　在隔離電源轉換器系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動器需要被隔離以保持從首級側到次級側的隔離完整性。柵極驅(qū)動器通常為功率FET的柵極提供高達4A的開關電流。對于給定的FET柵極電容，電流驅(qū)動能力越強，開關速率就越快。下圖顯示了一個隔離柵極驅(qū)動器的簡單原理圖，其連接至一個電壓達400V的功率FET的柵極。

　　圖3.隔離柵極驅(qū)動器示例

　　當今市場上可提供許多隔離柵極驅(qū)動器解決方案。

　　· 結隔離驅(qū)動器(Junction-Isolated Driver)

　　結隔離驅(qū)動器有一個浮動的高壓側驅(qū)動器去適應高電壓線路。對于這樣的設備而言，最高額定電壓約為600V。通常情況下，這些產(chǎn)品經(jīng)濟實惠，但具有較小的瞬變抑制力，很容易閂鎖，從而造成永久損壞或安全危害。一般來說，用于支持信號完整性的CMTI規(guī)格是在10kV/µs范圍之內(nèi)，而用于支持閂鎖抗擾的CMTI規(guī)格是在50 kV/µs范圍之內(nèi)。

　　· 光耦合驅(qū)動器

　　光耦合柵極驅(qū)動器都被真正地隔離(相對于浮動的高壓側驅(qū)動器)，而且它們已經(jīng)存在了相當長的一段時間。典型光耦合驅(qū)動器的CMTI規(guī)格在10-20 kV/µs之間，而最新產(chǎn)品則擁有大為改善的性能，其CMTI值達到50 kV/µs(最小值)。

　　· 電容耦合和變壓器耦合驅(qū)動器

　　除了結驅(qū)動器或光耦合驅(qū)動器之外，諸如電容耦合或變壓器耦合解決方案等技術，也使性能提升了一大截。

　　請牢記我們的最終目標——實現(xiàn)可能的最快開關速率同時確保安全性——電容耦合和變壓器耦合驅(qū)動器的最大優(yōu)勢在于，他們能夠承受極高的噪聲瞬變，而又不會丟失數(shù)據(jù)并不會被閂鎖。一些最新的變壓器耦合柵極驅(qū)動器的CMTI規(guī)范為50 kV/µs(最小值)，而這仍然不能滿足我們所考慮的最高效率系統(tǒng)。

　　最新的電容耦合解決方案也有相應的CMTI規(guī)范，支持信號完整性的CMTI為200 kV/µs(最小值)，支持閂鎖抗擾的CMTI為400 kV/µs(最大值)。這是業(yè)界領先的性能，且最適合當今的新型高頻系統(tǒng)設計。

　　使用電容耦合隔離驅(qū)動器還有一些其它的優(yōu)勢。它們非?？焖?低延遲)，并且信道之間和器件之間的一致性優(yōu)于其它解決方案。與一些流行的光耦柵極驅(qū)動器相比，其傳輸時延(延遲)性能要好10倍之多，同時器件之間的一致性也要好10倍甚至更多。這種一致性為設計人員提供了另一項關鍵優(yōu)勢——系統(tǒng)的整體調(diào)制方案可以進行微調(diào)以實現(xiàn)最高效率和安全性，而無需去適應規(guī)格變動。

　　這些驅(qū)動器還允許較低電壓操作(相比5V的2.5V)，以及更寬的工作溫度范圍(-40℃至125℃，而光耦合驅(qū)動器僅為-40℃至105℃)。此類驅(qū)動器還提供其它先進的特性，例如輸入噪聲濾波器、異步關斷能力，以及在同一個封裝中的諸如半橋或雙通道獨立驅(qū)動器等多種配置。

　　產(chǎn)品的安全性和長期可靠性也是這些應用中的關注重點，并且考慮這些屬性也是非常重要的。另外，新型驅(qū)動器在高電壓條件下的額定工作壽命為60年，比其它任何可比的解決方案都更長。

　　下表總結了相互競爭的驅(qū)動器之間的關鍵特性對比。

　　表1.常用隔離柵極驅(qū)動器技術的詳細對比

　　總結

　　通過使用市場上可以提供的最快功率開關技術，電源設計人員希望能將其設計中的單位體積功率(W/mm3)實現(xiàn)最大化。最新的基于GaN和SiC的開關是當前市場可提供的最快速技術，但是要求柵極驅(qū)動器具有非常高的噪聲抗擾度(CMTI)。

　　Silicon Labs最新的電容耦合柵極驅(qū)動器滿足了GaN和SiC的噪聲抗擾度要求，且余量綽綽有余(要求為120kV/µs、可提供200kV/µs)。采用最新技術的新型Si827x隔離柵極驅(qū)動器允許設計人員實現(xiàn)系統(tǒng)效率和單位體積功率(W/mm3)最大化。

　　圖4.具有高噪聲抗擾度的電容耦合隔離柵極驅(qū)動器

　　Silicon Labs公司隔離產(chǎn)品經(jīng)理Ashish Gokhale

　　Ashish Gokhale是Silicon Labs公司電源產(chǎn)品事業(yè)部負責隔離產(chǎn)品的資深產(chǎn)品經(jīng)理，工作地點位于美國德克薩斯州奧斯汀市。Ashish于2010年加入Silicon Labs。在此之前，他在德州儀器(TI)擔任隔離產(chǎn)品業(yè)務發(fā)展經(jīng)理，致力于開發(fā)隔離技術和推廣產(chǎn)品。他在TI曾擔任半導體工藝和產(chǎn)品開發(fā)方面的多個技術和管理職位，包括深亞微米工藝節(jié)點的技術開發(fā)和工業(yè)接口產(chǎn)品的開發(fā)。他擁有德克薩斯大學奧斯汀分校的電機工程碩士(MSEE)和工商管理碩士(MBA)學位，以及孟買VJTI大學的電機工程學士(BSEE)學位。他在隔離技術領域內(nèi)還擁有2項專利。