高功率電源應(yīng)用中的數(shù)字隔離驅(qū)動器解決方案

在電源與充電樁等高功率應(yīng)用中，通常需要專用驅(qū)動器來驅(qū)動最后一級的功率晶體管。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)微控制器輸出并沒有針對功率晶體管的驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化，如足夠的驅(qū)動電流和驅(qū)動保護(hù)功能等，而且直接用微控制器來驅(qū)動，會導(dǎo)致功耗過大等弊端。

首先，在功率晶體管開關(guān)過程中，柵極電容充放電會在輸出端產(chǎn)生較高的電壓與電流，高電壓與高電流同時存在時，會造成相當(dāng)大的開關(guān)損耗，降低電源效率。因此，在控制器和晶體管之間引入驅(qū)動器，可以有效放大控制器的驅(qū)動信號，從而更快地對功率管柵極電容進(jìn)行充放電，來縮短功率管在柵極的上電時間，降低晶體管損耗，提高開關(guān)效率。其次，更大的電流可以提高開關(guān)頻率，開關(guān)頻率提高以后，可以使用更小的磁性器件，以降低成本，減小產(chǎn)品體積。

為什么要用隔離驅(qū)動？

給功率管增加驅(qū)動的方式有兩種，一種是非隔離驅(qū)動，一種是隔離驅(qū)動。傳統(tǒng)電路里面經(jīng)常見到非隔離驅(qū)動，在高壓應(yīng)用中一般采用半橋非隔離驅(qū)動，該驅(qū)動有高低兩個通道，低側(cè)是一個簡單的緩沖器，通常與控制輸入有相同的接地點(diǎn)；高側(cè)則除了緩沖器，還包含高電壓電平轉(zhuǎn)換器。

非隔離驅(qū)動有很多局限性。首先，非隔離驅(qū)動模塊整體都在同一硅片上，因此耐壓無法超出硅工藝極限，大多數(shù)非隔離驅(qū)動器的工作電壓都不超過700伏。其次，當(dāng)高側(cè)功率管關(guān)閉而低側(cè)功率管打開時，由于寄生電感效應(yīng)，兩管之間的電壓可能會出現(xiàn)負(fù)壓，而非隔離驅(qū)動耐負(fù)壓能力較弱，所以如果采用非隔離驅(qū)動，應(yīng)特別注意兩管間電路設(shè)計。第三，非隔離驅(qū)動中需要用到高電壓電平轉(zhuǎn)換器，高電平轉(zhuǎn)換到低電平時會帶來噪聲，為了濾除這些噪聲，電平轉(zhuǎn)換器中通常加入濾波器，這會增加傳播延遲，而低側(cè)驅(qū)動器就需要額外增加傳輸延遲，以匹配高側(cè)驅(qū)動器，這就既增加了成本，又使得延遲很長。第四，非隔離驅(qū)動與控制芯片共地，不夠靈活，無法滿足現(xiàn)在許多復(fù)雜的拓?fù)潆娐芬?，例如在三?a target="_blank">PFC三電平拓?fù)渲?，要求多個輸出能夠轉(zhuǎn)換至控制公共端電平以上或以下，所以這種場景無法使用非隔離驅(qū)動。

相比非隔離驅(qū)動，隔離驅(qū)動就有很多優(yōu)勢，這里以數(shù)字隔離驅(qū)動來做說明。在數(shù)字隔離驅(qū)動器內(nèi)部，有兩塊或更多的硅片，硅片之間通過絕緣材料隔離，而控制信號通過電容型或電磁型方式穿過隔離層來傳遞，從而讓輸入與輸出處于不同硅片上，這種隔離方式能繞過硅工藝極限，可以滿足高耐壓需求，隔離驅(qū)動可以承受10kV以上的浪涌電壓。此外，兩個輸出驅(qū)動之間，也有絕緣材料建構(gòu)的隔離帶，所以與非隔離驅(qū)動要求與控制信號共地不同，隔離輸出接地點(diǎn)選擇更靈活，可以匹配不同電路拓?fù)湫枰?/p>

數(shù)字隔離驅(qū)動器的優(yōu)勢

光耦隔離是傳統(tǒng)的隔離方式，但與數(shù)字隔離相比，光耦隔離在性能和面積上都不占優(yōu)勢。

首先，光耦隔離方案傳輸延遲較大，通常在百納秒以上。在光耦隔離方案中，LED將柵極驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為光信號，再通過光電二極管等光敏電路轉(zhuǎn)換為待測電信號，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同，常見的光耦傳播延遲在幾百納秒甚至微秒級。高速光耦通過優(yōu)化內(nèi)部寄生參數(shù)、增加LED驅(qū)動強(qiáng)度等設(shè)計，可在幾十納秒時間內(nèi)接通和斷開，但成本會上升很多。

常規(guī)光耦方案的傳播延遲甚至不如非隔離驅(qū)動。在半橋非隔離驅(qū)動中，因?yàn)樵黾犹砑恿怂俣容^慢的高電壓電平轉(zhuǎn)換器，以及去毛刺和濾波電路，常見延遲時間可達(dá)到100納秒，因?yàn)榈蛡?cè)要與高側(cè)匹配，所以要在低側(cè)添加一個單獨(dú)的延遲時鐘，整個系統(tǒng)傳播延遲在100納秒左右。

數(shù)字隔離驅(qū)動通過上百兆高頻載波編解碼，開關(guān)只需幾納秒甚至更短的時間。但由于內(nèi)部邏輯延遲和去毛刺濾波設(shè)計，所以延遲到幾十納秒。以納芯微NSi6602為例，隔離驅(qū)動傳輸延遲典型值是在25納秒，最高值不超過35納秒。

其次，光耦方案脈寬失真較大。因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電檢測器中的LED開啟和關(guān)閉時間并不總是對稱，且溫度越高不對稱越嚴(yán)重，所以光耦脈寬失真比較嚴(yán)重，光耦方案脈寬失真范圍從幾十納秒到幾百納秒。

數(shù)字隔離驅(qū)動的脈寬失真主要由振蕩器計時精度、隔離層傳輸特性和接收端檢測電路造成。NSi6602可將脈寬失真控制在6納秒以內(nèi)，在脈寬失真這項(xiàng)參數(shù)上，數(shù)字隔離驅(qū)動也是大幅領(lǐng)先。

其他在設(shè)計中要注意的參數(shù)

除了傳播延遲和脈寬失真。在半橋拓?fù)渲?，如果使用單通道隔離驅(qū)動器，需要注意上下兩通道的延時匹配，如果采用了不同批次的器件，很容易帶來延時匹配問題，另外，兩個單通道隔離驅(qū)動在工作時結(jié)溫可能也會有差異，溫度差也會導(dǎo)致信號傳輸延時。對NSi6602這種高集成的雙通道半橋數(shù)字隔離驅(qū)動而言，就不太需要考慮延時匹配問題，這是因?yàn)樵诜庋b時，納芯微都會選擇同一批次而且在晶圓上位置最接近的一對接收器，這樣制造差異影響最小，而一對接收器封裝在同一個芯片中，也能減少溫度差異對延時的影響。NSi6602可將上下通道的延時匹配這個指標(biāo)控制在5納秒以內(nèi)。

共模瞬態(tài)抗干擾度（CMTI）也是一個需要注意的指標(biāo)。特別是如果驅(qū)動后級接的是碳化硅功率管，這是因?yàn)樘蓟韫β使芗纳娙莞?，所以電壓瞬態(tài)變化值更大，同樣一個系統(tǒng)，如果從MOS功率管改為碳化硅功率管，其瞬態(tài)電壓比時間（dV/dt）的峰值會是MOS管的2到3倍，所以需要更高的CMTI指標(biāo)。NSi6602的CMTI達(dá)到±150kV/μs，驅(qū)動碳化硅功率管毫無壓力。

在5G基站、數(shù)據(jù)中心和充電樁中的應(yīng)用

隨著開關(guān)電源的小型化和智能化，在5G通信、數(shù)據(jù)中心、充電樁和車載電源中，工程師越來越多選擇隔離驅(qū)動以增強(qiáng)電源性能。

由于歷史原因，通信系統(tǒng)直流供電一般采用-48V輸入，即備電電池的正端接地。在過去，通信設(shè)備內(nèi)部通常采用升降壓式（Buck-Boost）非隔離拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)輸入負(fù)壓到輸出正壓的轉(zhuǎn)換。但伴隨5G的到來，基站部署數(shù)量增加，基站設(shè)備小型化要求也越來越高，這就需要在電源部分進(jìn)一步提高功率密度，采用隔離驅(qū)動會帶來很多好處。

非隔離驅(qū)動需要與控制芯片共地，所以非隔離驅(qū)動中，控制芯片地只能取在-48V，這就使得控制芯片易受到來自-48V電平的浪涌或雷擊等影響。而采用隔離驅(qū)動，則可以把控制芯片與驅(qū)動接到不同的接地點(diǎn)，控制芯片可以接在PGND（即設(shè)備地），所以不易受雷擊與浪涌影響，抗干擾能力強(qiáng)。而且，控制芯片接到設(shè)備地也使得其與上位機(jī)通信更加方便，不需要再加總線隔離芯片，輸出采樣也不用隔離，電源性能更穩(wěn)定，采樣保護(hù)更及時。

在數(shù)據(jù)中心交流轉(zhuǎn)直流（AC-DC）電源中，也可以通過加入NSi6602隔離半橋驅(qū)動來改善電源性能，在流行的整流橋加升壓PFC與LLC架構(gòu)中，還可以通過增加隔離半橋驅(qū)動的方式，將有橋PFC改為無橋PFC，從而減少二極管使用數(shù)量，并提高電源效率。

在新能源汽車充電樁中的直流轉(zhuǎn)交流電源通常采用三相交流供電，由于該設(shè)備須人員操作，所以在安全標(biāo)準(zhǔn)上要求極高，需要在操作人員可使用的接口與任何高壓電路之間提供增強(qiáng)隔離，以滿足系統(tǒng)對安全的要求，防止瞬時過壓、浪涌過壓和爬電等造成的安全隱患。這時候，隔離驅(qū)動就是最好的選擇。

事實(shí)上，充電樁直流輸出高達(dá)800V，而非隔離驅(qū)動最高耐壓只有700V，無法滿足充電樁應(yīng)用的基本要求。而變壓器隔離驅(qū)動效率低、器件多、面積大。以NSi6602為代表的數(shù)字隔離驅(qū)動則具有高集成特性，成本更低，而且滿足加強(qiáng)絕緣要求，在可承受耐壓條件下，可工作十年以上。

基于隔離半橋驅(qū)動的240W高效率同步整流電源方案

如下圖所示，是一款可用于通信系統(tǒng)的48V輸入、12V輸出240W的隔離半橋同步整流電源方案，其開關(guān)頻率為200KHz，最高效率可達(dá)95%

此電源方案的半橋功率管驅(qū)動部分與副邊同步整流功率管驅(qū)動部分采用了納芯微高集成度、高可靠性隔離半橋驅(qū)動芯片NSi6602，輸出反饋控制部分采用了納芯微高精度隔離誤差放大器NSi3190。此方案支持輸入電壓范圍36V-60V，輸出電壓12V，電流20A，開關(guān)頻率200KHz，原副邊的輔助供電電路采用Fly-buck拓?fù)?，本電源具備UVLOOVPOCPOTP等多種保護(hù)功能。功能框圖如下：

圖 240W同步整流電源功能框圖

更多關(guān)于此方案的詳細(xì)資料和數(shù)據(jù)，請參考納芯微官網(wǎng)。

總結(jié)

在5G通信、數(shù)據(jù)中心、充電樁和車載電源等應(yīng)用中，無論是與非隔離驅(qū)動，還是與光耦隔離驅(qū)動相比，數(shù)字隔離驅(qū)動在傳播時延、可靠性和尺寸等方面都具有明顯的優(yōu)勢，由于集成度高，成本優(yōu)勢也很明顯，特別適合當(dāng)前開關(guān)電源設(shè)計智能化、小型化的趨勢。