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(zhǔn)確地傳輸數(shù)字信號或模擬信號通過隔離邊界。¹ 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(yīng)用、緊湊型應(yīng)用以及長壽命應(yīng)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(shè)計中遇到的這些問題。

 

 

在設(shè)計電源時，遵守安全標(biāo)準(zhǔn)對于保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)要求的重要方法。許多全球機(jī)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：

 

 

 

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(hù)和過壓保護(hù)。

 

表1. 原邊控制與副邊控制的功能對比

 

 

ADP1051是ADI公司先進(jìn)的數(shù)字電源控制器，具有接口，面向中間總線轉(zhuǎn)換器等高功率密度和高效率應(yīng)用。基于靈活的狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，提供眾多頗具吸引力的特性，比如反向電流保護(hù)、預(yù)偏置啟動、恒流模式、可調(diào)輸出電壓壓擺率、自適應(yīng)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?yàn)樗c系統(tǒng)通信非常方便。因此，同步整流器的PWM信號以及檢測等信號無需跨越隔離邊界與系統(tǒng)進(jìn)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。

 

圖1. 采用ADP3654解決方案驅(qū)動?xùn)艠O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(xì)的柵極驅(qū)動變壓器設(shè)計，因?yàn)樽儔浩髅窟^一段時間就需要復(fù)位，否則將會飽和。對于半橋拓?fù)涞臇艠O驅(qū)動變壓器設(shè)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的輸出和輸出通過隔直電容連接到柵極驅(qū)動變壓器?？紤]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，是初級繞組兩端的電壓，是開關(guān)頻率， 是半個開關(guān)周期內(nèi)的峰峰磁通密度變化，是磁芯的等效橫截面積。當(dāng)驅(qū)動為高電平且驅(qū)動為低電平時，Q1開啟，Q2關(guān)閉。當(dāng)驅(qū)動為高電平且驅(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?fù)洹?/div>