隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信基礎設施的蓬勃發(fā)展，數(shù)字控制技術在電信、網(wǎng)絡和計算機的電源系統(tǒng)中越來越受歡迎，因為這類技術具備靈活性、器件數(shù)量減少、先進的控制算法、系統(tǒng)通信、對外部噪聲和參數(shù)變化不太敏感等極具吸引力的優(yōu)勢。數(shù)字電源廣泛用于高端服務器、存儲、電信磚式模塊等經(jīng)常會有隔離需求的應用。 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，來解決在數(shù)字電源設計中遇到的這些問題。 需要隔離的原因 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。 原邊控制與副邊控制對比 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 副邊控制 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。 柵極驅(qū)動變壓器 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。 圖1. 采用ADP3654解決方案驅(qū)動柵極驅(qū)動變壓器。 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. 雙端柵極驅(qū)動變壓器。 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是開關頻率， ?B是半個開關周期內(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。 數(shù)字隔離器 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。 圖3. 數(shù)字隔離器解決方案。 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。 隔離式柵極驅(qū)動器 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。 圖4. 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。 圖5. 隔離式柵極驅(qū)動器配置為自舉柵極驅(qū)動器。