基于ADI iCoupler系列的数字电源隔离解决方案

 

在紧凑的面积下如何快速准确地传输数字信号或模拟信号通过隔离边界，是隔离在数字电源中面临的挑战。

• 传统光耦的解决方案有带宽比较低，电流传输比(CTR)会随温度和时间发生大幅变化等问题；

• 变压器的解决方案有体积庞大、磁饱和等问题。

以上问题限制了光耦合器或变压器在某些高可靠性应用、紧凑型应用以及长寿命应用中的使用。这里我们就说说如何利用ADI iCoupler®产品的数字隔离技术，来解决上述问题。

需要隔离的原因

在设计电源时，遵守安全标准对于保护操作人员及其他人员免受电击和有害能量的侵害至关重要。隔离是满足安全标准要求的重要方法。

许多全球机构（比如欧洲的VDE和IEC以及美国的UL）规定了不同输入和输出电压（稳态和瞬态）水平的隔离要求。例如，在UL60950中介绍了五类绝缘：

? 功能绝缘：仅在设备正常运行时需要的绝缘； 

? 基本绝缘：提供基本电击防护的绝缘； 

? 补充绝缘：基本绝缘外的独立绝缘，用于在基本绝缘发生故障的情况下降低电击风险； 

? 双重绝缘：包括基本绝缘和补充绝缘的一种绝缘；

? 加强绝缘：一种单一绝缘系统，提供一定程度的电击防护，在本标准规定的条件下相当于双重绝缘。

原边控制与副边控制对比

根据控制器的位置，隔离电源控制方式分为原边控制和副边控制两种。表1对比了原边控制和副边控制的功能。在下表中，UVP和OVP分别代表欠压保护和过压保护。

表1. 原边控制与副边控制的功能对比

副边控制

ADP1051是ADI先进的数字电源控制器，具有PMBus™接口，面向中间总线转换器等高功率密度和高效率应用。ADP1051基于灵活的状态机架构，提供众多颇具吸引力的特性，比如反向电流保护、预偏置启动、恒流模式、可调输出电压压摆率、自适应死区时间控制以及伏秒平衡，与模拟解决方案相比，减少了大量的外部元件。

一般而言，ADP1051更常用于副边控制，因为它与系统通信非常方便。因此，同步整流器的PWM信号以及VOUT检测等信号无需跨越隔离边界与系统进行通信。不过在这种情况下，需要辅助电源在启动阶段从原边向副边控制器ADP1051提供初始电力。此外，来自ADP1051的PWM信号需要跨越隔离边界。

接下来我们讨论三种解决方案——栅极驱动变压器、数字隔离器和隔离式栅极驱动器。

栅极驱动变压器

图1显示了采用栅极驱动变压器解决方案的数字电源的功能框图。在此解决方案中，副边控制器ADP1051向ADP3654发送PWM信号，ADP3654是双通道4 A MOSFET驱动器。ADP3654随后驱动一个栅极驱动变压器。栅极驱动变压器的功能是将驱动信号从副边传输到原边并驱动原边MOSFET。辅助隔离电源在启动阶段为ADP1051供电。

图1. 采用ADP3654解决方案驱动栅极驱动变压器

栅极驱动变压器解决方案的优势包括延时较少，成本更低。但需要更仔细的栅极驱动变压器设计，因为变压器每过一段时间就需要复位，否则将会饱和。对于半桥拓扑的栅极驱动变压器设计，经常采用双端变压器，如图2所示。

图2. 双端栅极驱动变压器

图2所示为由ADP3654驱动的栅极驱动变压器的电路。ADP3654的V_OA输出和V_OB输出通过隔直电容CDC连接到栅极驱动变压器。考虑到所有工作条件下所需的最大伏秒数，为半桥选择最大50%的占空比。选择磁芯后，可以使用下方的公式1计算初级绕组NP的数量：

其中，

V_DD是初级绕组两端的电压

fs是开关频率

ΔB是半个开关周期内的峰峰磁通密度变化

Ae是磁芯的等效横截面积

当VOA驱动为高电平且V_OB驱动为低电平时，Q1开启，Q2关闭。当V_OB驱动为高电平且V_OA驱动为低电平时，Q2开启，Q1关闭。需要注意的是，该栅极驱动变压器适用于对称半桥，不适用于非对称半桥或其他有源钳位拓扑。

数字隔离器

 

图3显示了实施数字隔离器解决方案的数字电源的功能框图。双通道数字隔离器ADuM3210用作数字隔离，可将来自副边控制器ADP1051的PWM信号传输到原边半桥驱动器。

图3. 数字隔离器解决方案

相比复杂的栅极驱动变压器设计，数字隔离器解决方案尺寸更小，可靠性更高，使用更简单。此解决方案没有占空比限制，也没有饱和问题。由于节省了50%以上的PCB空间，因此可实现高功率密度设计。

隔离式栅极驱动器

为了进一步简化设计，集成了电气隔离和