具有快速开关频率的电源已大幅提升安全性

　　引言

　　隔离电源系统被广泛应用于服务器系统、工业应用以及电信和网络设备中。在这个对带宽有强烈需求的物联网(IoT)时代，越来越多的此类系统需要高效供电，从而带来了对低功耗、高性价比解决方案的更多需求。

　　随着设备变得越来越小，电源也必须跟随着变小。因此，当今设计人员的首要目标是：将单位体积功率(W/mm3)最大化。实现这一目标的一种方法是使用更高性能的电源开关。目前在这一领域已经有很多重要的创新，并且令人兴奋的全新产品现在也已面市，这些产品拥有高速开关切换能力，可以提供更高的系统效率和更小的器件尺寸。

　　这些新型电源开关包括新一代更快的、基于硅的MOSFET，以及像镓氮化物(GaN)或碳化硅(SiC)基质这些更新的技术。

　　与硅技术的垂直结构相比，新技术的横向结构使其成为低电荷设备，因此能够在几纳秒(ns)内转换几百伏。这非常适合快速开关系统。

　　其它优点包括较高的电场强度和电子迁移率，这意味着对于给定的击穿电压和导通电阻，开关尺寸可以小很多。另外，它们也具有更宽的带隙(Band Gap)，这意味着它们可以在更高的频率和更高的电流下安全地操作。

　　然而，对于电源来说，快速切换并非没有代价——它产生高噪声瞬变，这可能会导致调制丢失，或由于闩锁效应(Latch-up)而永久损坏整个系统。为了解决这个问题，用于驱动这些新型电源开关的器件的噪声抗扰度必须得到显著的改善。本文介绍了这些新技术以及设计人员如何能够武装自己以应对未来电源设计方面的挑战。

　　电源转换器系统

　　让我们来仔细看看广泛存在的开关模式电源(SMPS)，其中功率开关是最关键的部分。SMPS从交流到直流(AC-DC)或者从直流到直流(DC-DC)转换其输入功率，并且在大多数情况下，它们也改变电压电平以适应应用的需要。

　　图1.典型的AC-DC SMPS开关电源框图

　　该图显示了一个典型的AC-DC SMPS开关电源框图。首先，将交流输入电压整流成直流电压。然后，在电源开关级使用栅极驱动器调制该直流电压以控制调制过程。控制器生成控制信号，栅极驱动器用其来调制电源开关。该开关电压通过一个带有预期匝数比(Turns RaTIo)的隔离变压器来耦合，从而在输出时获得正确的电压电平。然后该电压由同步FET整流回直流。同步FET也需要栅极驱动器以控制其开关。电流和/或电压传感器监测输出，并且提供反馈到控制器以微调调制方案，从而获得最佳性能。

　　电源转换器系统性能

　　正如前面提到的，设计人员面临的挑战是实现单位体积中的最高功率。要做到这一点，最好的办法是提高系统效率。通过开关和/或传导而损耗的功率会产生热量，它们还必须通过散热片安全地释放掉，但也由于散热片的尺寸而增加了总体积。因此，创建一种更高效的设计有两大好处——增加有用输出功率和减小总体积。

　　为了实现这一目标，同时保持安全性，可用的最佳手段之一就是提高开关速率和频率。这样做具有以下优点：

　　· 更快的开关时间减小了电源开关损耗和散热片的必要尺寸;

　　· 更高的调制频率减小了输出电容和电感的尺寸和成本;

　　· 更高的调制频率减小了磁性材料(铁氧体等)的不利影响;

　　· 更高的调制频率改善了瞬态响应，防止电压过冲/下冲(Voltage Over/Under-shoot)。

　　在这些优点备受青睐的同时，也有一项风险牵涉其中。如下图所示，更快的开关会导致更高的开关瞬变。在当前采用GaN电源开关设计的最先进的系统中，开关时间通常约为5ns，或者比传统系统快约10至20倍。例如，一根典型的600V高压线将导致一个120 kV/µs的瞬变(600V/5ns=120V/ns或者120kV/µs)。

　　图2.电源转换器中的开关瞬变

 

　　关键规格：共模瞬变抗扰度(CMTI)

　　这种高噪声瞬变会导致栅极驱动器失去信号完整性，或者"毛刺"，从而导致系统调制失败;或者更糟的是，生成一个伪信号，其可能触发两个功率MOSFET同时接通，从而引发危险的电气短路情况。高瞬变也可能造成栅极驱动器进入一种永久的闩锁状态，这也会引发危险情况。

　　控制电源开关的栅极驱动器的设计必须能够承受这些噪声瞬变，同时不会造成毛刺或闩锁。驱动器承受这些共模噪声瞬变的能力被定义为共模瞬变抗扰度(CMTI)，它由大多数厂商通常列在其产品数据手册中的一项规格来定义，并以kV/µs为单位来表示。在上面的示例中，栅极驱动器的CMTI规格应该已被清楚地确定为至少120kV/µs。

　　隔离栅极驱动器的选择项

在隔离电源转换器系统中，栅极驱动器需要被隔离以保持从首级侧到次级