【導讀】在電源與充電樁等高功率應用中,通常需要專用驅(qū)動器來驅(qū)動最后一級的功率晶體管。這是因為大多數(shù)微控制器輸出并沒有針對功率晶體管的驅(qū)動進行優(yōu)化,如足夠的驅(qū)動電流和驅(qū)動保護功能等,而且直接用微控制器來驅(qū)動,會導致功耗過大等弊端。
在電源與充電樁等高功率應用中,通常需要專用驅(qū)動器來驅(qū)動最后一級的功率晶體管。這是因為大多數(shù)微控制器輸出并沒有針對功率晶體管的驅(qū)動進行優(yōu)化,如足夠的驅(qū)動電流和驅(qū)動保護功能等,而且直接用微控制器來驅(qū)動,會導致功耗過大等弊端。
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;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,兩管之間的電壓可能會出現(xiàn)負壓,而非隔離驅(qū)動耐負壓能力較弱,所以如果采用非隔離驅(qū)動,應特別注意兩管間電路設計。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)在許多復雜的拓撲電路要求,例如在三相PFC三電平拓撲中,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,隔離輸出接地點選擇更靈活,可以匹配不同電路拓撲需要。
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)動強度等設計,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,因為增加添加了速度較慢的高電壓電平轉(zhuǎn)換器,以及去毛刺和濾波電路,常見延遲時間可達到100納秒,因為低側(cè)要與高側(cè)匹配,所以要在低側(cè)添加一個單獨的延遲時鐘,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。因為光電檢測器中的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重,所以光耦脈寬失真比較嚴重,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),在脈寬失真這項參數(shù)上,數(shù)字隔離驅(qū)動也是大幅領先。
其他在設計中要注意的參數(shù)
除了傳播延遲和脈寬失真。在半橋拓撲中,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,這是因為在封裝時,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。特別是如果驅(qū)動后級接的是碳化硅功率管,這是因為碳化硅功率管寄生電容更小,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。NSi6602的CMTI達到±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,通信設備內(nèi)部通常采用升降壓式(Buck-Boost)非隔離拓撲來實現(xiàn)輸入負壓到輸出正壓的轉(zhuǎn)換。但伴隨5G的到來,基站部署數(shù)量增加,基站設備小型化要求也越來越高,這就需要在電源部分進一步提高功率密度,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,控制芯片可以接在PGND(即設備地),所以不易受雷擊與浪涌影響,抗干擾能力強。而且,控制芯片接到設備地也使得其與上位機通信更加方便,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,由于該設備須人員操作,所以在安全標準上要求極高,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。
事實上,充電樁直流輸出高達800V,而非隔離驅(qū)動最高耐壓只有700V,無法滿足充電樁應用的基本要求。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拓撲,本電源具備UVLOOVPOCPOTP等多種保護功能。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,特別適合當前開關(guān)電源設計智能化、小型化的趨勢。
關(guān)于納芯微
蘇州納芯微電子股份有限公司是國內(nèi)領先的信號鏈芯片及其解決方案提供商,聚焦傳感器與數(shù)字隔離兩大產(chǎn)品方向。納芯微電子專注于高性能集成電路芯片的設計、開發(fā)、生產(chǎn)和銷售,為客戶提供一站式系統(tǒng)解決方案。
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