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侧的隔离完整性。栅极驱动器通常为功率fet的栅极提供高达4a的开关电流。对于给定的fet栅极电容，电流驱动能力越强，开关速率就越快。下图显示了一个隔离栅极驱动器的简单原理图，其连接至一个电压达400v的功率fet的栅极。
图3.隔离栅极驱动器示例
当今市场上可提供许多隔离栅极驱动器解决方案。
· 结隔离驱动器(junction-isolated driver) 结隔离驱动器有一个浮动的高压侧驱动器去适应高电压线路。对于这样的设备而言，最高额定电压约为600v。通常情况下，这些产品经济实惠，但具有较小的瞬变抑制力，很容易闩锁，从而造成永久损坏或安全危害。一般来说，用于支持信号完整性的cmti规格是在10kv/µs范围之内，而用于支持闩锁抗扰的cmti规格是在50 kv/µs范围之内。
· 光耦合驱动器 光耦合栅极驱动器都被真正地隔离(相对于浮动的高压侧驱动器)，而且它们已经存在了相当长的一段时间。典型光耦合驱动器的cmti规格在10-20 kv/µs之间，而最新产品则拥有大为改善的性能，其cmti值达到50 kv/µs(最小值)。
· 电容耦合和变压器耦合驱动器 除了结驱动器或光耦合驱动器之外，诸如电容耦合或变压器耦合解决方案等技术，也使性能提升了一大截。
请牢记我们的最终目标——实现可能的最快开关速率同时确保安全性——电容耦合和变压器耦合驱动器的最大优势在于，他们能够承受极高的噪声瞬变，而又不会丢失数据并不会被闩锁。一些最新的变压器耦合栅极驱动器的cmti规范为50 kv/µs(最小值)，而这仍然不能满足我们所考虑的最高效率系统。
最新的电容耦合解决方案也有相应的cmti规范，支持信号完整性的cmti为200 kv/µs(最小值)，支持闩锁抗扰的cmti为400 kv/µs(最大值)。这是业界领先的性能，且最适合当今的新型高频系统设计。
使用电容耦合隔离驱动器还有一些其它的优势。它们非常快速(低延迟)，并且信道之间和器件之间的一致性优于其它解决方案。与一些流行的光耦栅极驱动器相比，其传输时延(延迟)性能要好10倍之多，同时器件之间的一致性也要好10倍甚至更多。这种一致性为设计人员提供了另一项关键优势——系统的整体调制方案可以进行微调以实现最高效率和安全性，而无需去适应规格变动。
这些驱动器还允许较低电压操作(相比5v的2.5v)，以及更宽的工作温度范围(-40℃至125℃，而光耦合驱动器仅为-40℃至105℃)。此类驱动器还提供其它先进的特性，例如输入噪声滤波器、异步关断能力，以及在同一个封装中的诸如半桥或双通道独立驱动器等多种配置。
产品的安全性和长期可靠性也是这些应用中的关注重点，并且考虑这些属性也是非常重要的。另外，新型驱动器在高电压条件下的额定工作寿命为60年，比其它任何可比的解决方案都更长。
下表总结了相互竞争的驱动器之间的关键特性对比。
表1.常用隔离栅极驱动器技术的详细对比
总结 通过使用市场上可以提供的最快功率开关技术，电源设计人员希望能将其设计中的单位体积功率(w/mm3)实现最大化。最新的基于gan和sic的开关是当前市场可提供的最快速技术，但是要求栅极驱动器具有非常高的噪声抗扰度(cmti)。
silicon labs最新的电容耦合栅极驱动器满足了gan和sic的噪声抗扰度要求，且余量绰绰有余(要求为120kv/µs、可提供200kv/µs)。采用最新技术的新型si827x隔离栅极驱动器允许设计人员实现系统效率和单位体积功率(w/mm3)最大化。
图4.具有高噪声抗扰度的电容耦合隔离栅极驱动器
silicon labs公司隔离产品经理ashish gokhale ashish gokhale是silicon labs公司电源产品事业部负责隔离产品的资深产品经理，工作地点位于美国德克萨斯州奥斯汀市。ashish于2010年加入silicon labs。在此之前，他在德州仪器(ti)担任隔离产品业务发展经理，致力于开发隔离技术和推广产品。他在ti曾担任半导体工艺和产品开发方面的多个技术和管理职位，包括深亚微米工艺节点的技术开发和工业接口产品的开发。他拥有德克萨斯大学奥斯汀分校的电机工程硕士(msee)和工商管理硕士(mba)学位，以及孟买vjti大学的电机工程学士(bsee)学位。他在隔离技术领域内还拥有2项专利。
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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。
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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。
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· 结隔离驱动器(junction-isolated driver) 结隔离驱动器有一个浮动的高压侧驱动器去适应高电压线路。对于这样的设备而言，最高额定电压约为600v。通常情况下，这些产品经济实惠，但具有较小的瞬变抑制力，很容易闩锁，从而造成永久损坏或安全危害。一般来说，用于支持信号完整性的cmti规格是在10kv/µs范围之内，而用于支持闩锁抗扰的cmti规格是在50 kv/µs范围之内。
· 光耦合驱动器 光耦合栅极驱动器都被真正地隔离(相对于浮动的高压侧驱动器)，而且它们已经存在了相当长的一段时间。典型光耦合驱动器的cmti规格在10-20 kv/µs之间，而最新产品则拥有大为改善的性能，其cmti值达到50 kv/µs(最小值)。
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最新的电容耦合解决方案也有相应的cmti规范，支持信号完整性的cmti为200 kv/µs(最小值)，支持闩锁抗扰的cmti为400 kv/µs(最大值)。这是业界领先的性能，且最适合当今的新型高频系统设计。
使用电容耦合隔离驱动器还有一些其它的优势。它们非常快速(低延迟)，并且信道之间和器件之间的一致性优于其它解决方案。与一些流行的光耦栅极驱动器相比，其传输时延(延迟)性能要好10倍之多，同时器件之间的一致性也要好10倍甚至更多。这种一致性为设计人员提供了另一项关键优势——系统的整体调制方案可以进行微调以实现最高效率和安全性，而无需去适应规格变动。
这些驱动器还允许较低电压操作(相比5v的2.5v)，以及更宽的工作温度范围(-40℃至125℃，而光耦合驱动器仅为-40℃至105℃)。此类驱动器还提供其它先进的特性，例如输入噪声滤波器、异步关断能力，以及在同一个封装中的诸如半桥或双通道独立驱动器等多种配置。
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下表总结了相互竞争的驱动器之间的关键特性对比。
表1.常用隔离栅极驱动器技术的详细对比
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silicon labs最新的电容耦合栅极驱动器满足了gan和sic的噪声抗扰度要求，且余量绰绰有余(要求为120kv/µs、可提供200kv/µs)。采用最新技术的新型si827x隔离栅极驱动器允许设计人员实现系统效率和单位体积功率(w/mm3)最大化。
图4.具有高噪声抗扰度的电容耦合隔离栅极驱动器
silicon labs公司隔离产品经理ashish gokhale ashish gokhale是silicon labs公司电源产品事业部负责隔离产品的资深产品经理，工作地点位于美国德克萨斯州奥斯汀市。ashish于2010年加入silicon labs。在此之前，他在德州仪器(ti)担任隔离产品业务发展经理，致力于开发隔离技术和推广产品。他在ti曾担任半导体工艺和产品开发方面的多个技术和管理职位，包括深亚微米工艺节点的技术开发和工业接口产品的开发。他拥有德克萨斯大学奥斯汀分校的电机工程硕士(msee)和工商管理硕士(mba)学位，以及孟买vjti大学的电机工程学士(bsee)学位。他在隔离技术领域内还拥有2项专利。
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