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數(shù)字電源中的隔離—原因及方式

發(fā)布時(shí)間:2017-12-22 來源:Jason Duan 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信基礎(chǔ)設(shè)施的蓬勃發(fā)展,數(shù)字控制技術(shù)在電信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的電源系統(tǒng)中越來越受歡迎,因?yàn)檫@類技術(shù)具備靈活性、器件數(shù)量減少、先進(jìn)的控制算法、系統(tǒng)通信、對(duì)外部噪聲和參數(shù)變化不太敏感等極具吸引力的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字電源廣泛用于高端服務(wù)器、存儲(chǔ)、電信磚式模塊等經(jīng)常會(huì)有隔離需求的應(yīng)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(zhǔn)確地傳輸數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)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(huì)隨溫度和時(shí)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(zhǎng)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(jì)中遇到的這些問題。
 
需要隔離的原因
 
在設(shè)計(jì)電源時(shí),遵守安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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:
 
  • 功能絕緣:僅在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)需要的絕緣。
  • 基本絕緣: 提供基本電擊防護(hù)的絕緣。
  • 補(bǔ)充絕緣:基本絕緣外的獨(dú)立絕緣,用于在基本絕緣發(fā)生故障的情況下降低電擊風(fēng)險(xiǎn)。
  • 雙重絕緣:包括基本絕緣和補(bǔ)充絕緣的一種絕緣。
  • 加強(qiáng)絕緣:一種單一絕緣系統(tǒng),提供一定程度的電擊防護(hù),在本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下相當(dāng)于雙重絕緣。
 
原邊控制與副邊控制對(duì)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(duì)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)。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
表1. 原邊控制與副邊控制的功能對(duì)比
 
副邊控制
 
ADP1051是ADI公司先進(jìn)的數(shù)字電源控制器,具有數(shù)字電源中的隔離—原因及方式接口,面向中間總線轉(zhuǎn)換器等高功率密度和高效率應(yīng)用。數(shù)字電源中的隔離—原因及方式基于靈活的狀態(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(dòng)、恒流模式、可調(diào)輸出電壓壓擺率、自適應(yīng)死區(qū)時(shí)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(hào)以及數(shù)字電源中的隔離—原因及方式檢測(cè)等信號(hào)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(dòng)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(hào)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(dòng)變壓器、數(shù)字隔離器和隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。
 
柵極驅(qū)動(dòng)變壓器
 
圖1顯示了采用柵極驅(qū)動(dòng)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(hào),ADP3654是雙通道4 A MOSFET驅(qū)動(dòng)器。ADP3654隨后驅(qū)動(dòng)一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)變壓器。柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的功能是將驅(qū)動(dòng)信號(hào)從副邊傳輸?shù)皆叢Ⅱ?qū)動(dòng)原邊MOSFET。輔助隔離電源在啟動(dòng)階段為ADP1051供電。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖1. 采用ADP3654解決方案驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)變壓器。
 
柵極驅(qū)動(dòng)變壓器解決方案的優(yōu)勢(shì)包括延時(shí)較少,成本更低。但需要更仔細(xì)的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì),因?yàn)樽儔浩髅窟^一段時(shí)間就需要復(fù)位,否則將會(huì)飽和。對(duì)于半橋拓?fù)涞臇艠O驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì),經(jīng)常采用雙端變壓器,如圖2所示。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖2. 雙端柵極驅(qū)動(dòng)變壓器。
 
圖2所示為由ADP3654驅(qū)動(dòng)的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的電路。ADP3654的數(shù)字電源中的隔離—原因及方式輸出和數(shù)字電源中的隔離—原因及方式輸出通過隔直電容數(shù)字電源中的隔離—原因及方式連接到柵極驅(qū)動(dòng)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(jì)算初級(jí)繞組NP的數(shù)量:
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
 
其中,數(shù)字電源中的隔離—原因及方式是初級(jí)繞組兩端的電壓,數(shù)字電源中的隔離—原因及方式是開關(guān)頻率, 數(shù)字電源中的隔離—原因及方式是半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的峰峰磁通密度變化,數(shù)字電源中的隔離—原因及方式是磁芯的等效橫截面積。當(dāng)數(shù)字電源中的隔離—原因及方式驅(qū)動(dòng)為高電平且數(shù)字電源中的隔離—原因及方式驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí),Q1開啟,Q2關(guān)閉。當(dāng)數(shù)字電源中的隔離—原因及方式驅(qū)動(dòng)為高電平且數(shù)字電源中的隔離—原因及方式驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí),Q2開啟,Q1關(guān)閉。需要注意的是,該柵極驅(qū)動(dòng)變壓器適用于對(duì)稱半橋,不適用于非對(duì)稱半橋或其他有源鉗位拓?fù)洹?/div>
 
數(shù)字隔離器
 
圖3顯示了實(shí)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(hào)傳輸?shù)皆叞霕蝌?qū)動(dòng)器。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖3. 數(shù)字隔離器解決方案。
 
相比復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì),數(shù)字隔離器解決方案尺寸更小,可靠性更高,使用更簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)高功率密度設(shè)計(jì)。
 
隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器
 
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),集成了電氣隔離和強(qiáng)大柵極驅(qū)動(dòng)功能的4A隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器ADuM7223提供獨(dú)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(dòng)器解決方案。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖4. 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案。
 
在圖5中,將ADuM7223隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器配置為自舉柵極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)半橋。數(shù)字電源中的隔離—原因及方式是外部自舉二極管,數(shù)字電源中的隔離—原因及方式是外部自舉電容。在低端MOSFET Q2開啟的每個(gè)周期內(nèi),數(shù)字電源中的隔離—原因及方式會(huì)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(fù)時(shí)間短的超快二極管。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖5. 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器配置為自舉柵極驅(qū)動(dòng)器。
 
原邊控制
 
由于原邊控制無需輔助隔離電源,并且具有簡(jiǎn)單的控制架構(gòu),因此在某些低成本應(yīng)用中,原邊控制更為普遍。根據(jù)隔離控制路徑,下文論述了三種解決方案:線性光耦合器、普通光耦合器(帶標(biāo)準(zhǔn)放大器)以及隔離式放大器。
 
線性光耦合器
 
隔離數(shù)字電源中的輸出電壓通常需要快速準(zhǔn)確的隔離反饋。光耦合器經(jīng)常用于將來自副邊的模擬信號(hào)發(fā)送到原邊,但其CTR會(huì)隨著溫度而發(fā)生極大變化,且性能也會(huì)隨著時(shí)間推移而下降。圖6顯示了TCET1100的歸一化CTR與環(huán)境溫度特性。在該圖中,CTR的變化率在–25°C到+75°C的范圍內(nèi)會(huì)超過30%。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖6. TECT1100的歸一化CTR與溫度。
 
如果在反饋環(huán)路中直接使用普通光耦合器來傳輸輸出電壓時(shí),很難保證輸出電壓精度。而普通光耦合器與誤差放大器配合使用,一般是傳輸補(bǔ)償信號(hào)而不是輸出電壓信號(hào)。而ADP1051在芯片內(nèi)部已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償,因此不再需要補(bǔ)償信號(hào)。一種解決方案是使用線性光耦合器來線性傳輸輸出電壓,如圖7所示。但線性光耦合器成本高昂,這意味著用戶必須支付額外費(fèi)用。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖7. 線性光耦合器解決方案。
 
普通光耦合器(帶標(biāo)準(zhǔn)放大器)
 
另外可使用一個(gè)普通光耦合器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)放大器來實(shí)現(xiàn)原邊控制電路,如圖8所示。在本例中,可實(shí)現(xiàn)高輸出電壓精度,不會(huì)因?yàn)楣怦詈掀鞯腃TR溫度變化而發(fā)生大幅變化。測(cè)量結(jié)果表明,輸出電壓變化范圍為±1%,當(dāng)CTR范圍為100%-200%。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖8. 光耦合器(帶放大器)解決方案。
 
CTR公式如下
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
 
當(dāng)CTR隨溫度而變化時(shí),放大器的輸出將補(bǔ)償此變化以保持輸出電壓的高精度。需要注意的是,放大器的穩(wěn)定工作點(diǎn)和擺幅范圍應(yīng)設(shè)計(jì)得足以滿足CTR隨溫度而變化的要求,以防放大器的輸出飽和。
 
隔離式放大器
 
第三種解決方案是隔離式放大器,比如圖9所示的ADuM3190。ADuM3190是一種隔離式放大器,與光耦合器相比,具有高帶寬和高精度的特性,因此非常適合具有原邊控制器的線性反饋電源。與常用的光耦合器和分流穩(wěn)壓器解決方案相比,該解決方案在瞬態(tài)響應(yīng)、功率密度和穩(wěn)定性方面均有所提高。只要設(shè)計(jì)得當(dāng),ADuM3190可實(shí)現(xiàn)±1%的輸出電壓精度。
 
數(shù)字電源中的隔離—原因及方式
圖9. 隔離式放大器解決方案。
 
結(jié)語
 
如今由于電信、網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)電力系統(tǒng)的安全性、高可靠性、高功率密度以及智能管理的要求日益提高,隔離技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。與傳統(tǒng)的光耦合器和變壓器解決方案相比,ADI公司的iCoupler ADuM3210、ADuM7223和ADuM3190結(jié)合數(shù)字電源控制器ADP1051可提供高可靠性、高帶寬和高功率密度的解決方案。
 
參考電路
 
1 Baoxing Chen. “微變壓器隔離有利于數(shù)字控制。” Power Electronics Technology,2008年10月。
 
2 ADP1051數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADI公司,2014年。
 
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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