隔離電源系統普遍應用於伺服器系統、工業應用以及電信和網路設備,而在當今對於頻寬有著強烈需求的物聯網(IoT)時代,越來越多的系統都需要高效供電,因而不斷驅動對於高功率轉換效率與高成本效益的解決方案需求。

隨著裝置變得越來越小,電源也不得不因應此趨勢發展。因此,設計人員最重要的目標在於最大化單位體積功率(W/mm3),而實現的方法之一是使用更高性能的交換式電源。目前在這一領域已經有了大幅的創新,令人振奮的新產品現已上市,其不僅擁有高速切換能力,還提供了更高的系統效率和更小的元件尺寸。

這些新型開關包括基於更快速矽晶的新一代MOSFET,以及如氮化鎵(GaN)或碳化矽(SiC)這一類新技術。

相較於矽晶的垂直結構,新技術的橫向結構使其成為低電荷裝置,因此能夠以每奈秒(ns)的速度切換幾百伏特(V)電壓,這非常適合快速切換的交換式電源系統。

其它優點則包括較高的電場強度和電子遷移率,這意味著開關的尺寸在特定的擊穿電壓和導通電阻條件下可以非常小。另外,它們也具備更寬的能隙(band gap),這代表它們可以在更高的頻率和更高的電流下安全的操作。

然而,對於電源而言,快速切換並非全無代價:它會產生高雜訊瞬變,從而導致訊號遺失,或由於閉鎖(latch-up)使整個系統永久損壞。為了解決這個問題,必須大幅提升用於驅動這些新電源開關的元件抗雜訊能力。本文介紹這些新技術,以及設計人員如何利用它們來克服未來會遇到的電源設計挑戰。

電源轉換器系統

讓我們仔細看看常見的交換式電源(SMPS),其中電源開關是最關鍵的部分。SMPS從交流到直流(AC-DC)或者從直流到直流(DC-DC)轉換其輸入功率,而且,也可在大多數情況下改變電壓電平以滿足應用的需要。

20160511 Silabs TA31P1 圖1:典型的AC-DC SMPS方塊圖

圖1顯示典型的AC-DC SMPS方塊圖。AC輸入電壓首先整流成DC電壓,然後此DC電壓透過閘極驅動器在電源切換階段進行調變。控制器產生讓閘極驅動器用於調變電源開關的控制訊號。該切換電壓透過預期匝數比(turns ratio)的隔離變壓器,在輸出時取得適當的電壓電平,然後該電壓由同步FET整流回DC。同步FET也需要閘極驅動器控制其開關。電流和/或電壓感測器監測輸出,並且提供回饋到控制器以精準控制調變機制,進而獲得最大性能。

電源轉換器系統性能

正如前面所提及,設計人員面臨的挑戰是實現單位體積的最高功率,而達到這一目標的最佳辦法是提高系統效率。經由切換和/或傳導而損耗的功耗會產生熱量,必須經由散熱片安全地釋放出去。散熱片的尺寸增加了總體積,因此,創造更高效的設計有兩個好處:增加有用輸出功率和降低總體積。

為了實現此一目標,在保持安全性的同時,可用的最好工具之一是增加切換速率和頻率。這具備以下優點:

  • 更快的切換時間減少了切換損耗和所需散熱片的大小;
  • 更高的調變頻率減少了輸出電容和電感的體積與成本;
  • 更高的調變頻率減少了磁性材料(例如鐵氧體)的不利影響;
  • 更高的調變頻率提高了瞬變響應,防止電壓過衝/欠衝。

雖然這些優點備受青睞,但是也有些風險。更快的切換會導致更高的切換瞬變,如圖2所示。在目前採用GaN電源開關設計的先進系統中,切換時間典型值約為5ns,或者比傳統系統更快10至20倍。例如,典型的600V高電壓軌將導致120 kV/us瞬變(600V/5ns=120V/ns或者120kV/us)。

20160511 Silabs TA31P2 圖2:電源轉換器的切換瞬變

關鍵規格:共模瞬變抗雜訊能力(CMTI)

這種高雜訊瞬變會導致閘極驅動器失去訊號完整性,或是‘突波’,造成系統的調變損耗;更糟的情況甚至產生可能觸發功率MOSFET同時導通的雜散訊號,進而引發危險的電氣短路。高瞬變也可能造成閘極驅動器進入永久的閉鎖狀態,這也會引發危險情況。

控制電源開關的閘極驅動器必須設計成能夠承受這些瞬態雜訊,而又不至於產生突波或閉鎖。在大多數廠商的資料手冊中,驅動器能夠承受這些共模雜訊瞬態的能力通常被定義為CMTI,以kV/us表示。在上面的範例中,閘極驅動器CMTI應該清楚地被指定為至少120kV/us。

隔離閘極驅動器選項

在隔離的電源轉換器系統中,閘極驅動器必須加以隔離,以保持主要和次級側的隔離完整性。閘極驅動器通常為功率FET閘極提供最大4A的開關電流。對於特定的FET閘極電容,電流驅動能力越大,切換速率越快。圖3顯示閘極最高達400V功率FET的隔離閘極驅動器原理圖。

20160511 Silabs TA31P3 圖3:隔離閘極驅動器範例

目前有許多可用的隔離閘極驅動器解決方案。

接面隔離驅動器:接面隔離驅動器(Junction-Isolated Driver)以一個浮動的高壓側驅動器因應高電壓軌。對於這樣的裝置而言,最高電壓級約600V。這些產品通常十分經濟實惠,但具備較小的瞬態抑制力,而且很容易閉鎖而造成永久損壞或安全危害。一般來說,用於實現訊號完整性的CMTI範圍在10kV/us之內,50kV/us範圍則用於閉鎖抗雜訊。

光耦驅動器:光耦閘極驅動器真正實現了隔離(相對於浮動高壓側驅動器),長久以來一直如此。典型光耦驅動器的CMTI規格在10-20kV/us之間,而最新產品的CMTI則達到了更高性能的50kV/us(MIN)。

電容耦合和變壓器耦合驅動器:除了接面驅動器或光耦驅動器技術外,如電容耦合或變壓器耦合解決方案等技術也使性能提升一大截。

請牢記我們的終極目標——實現最快的切換速率同時確保安全性,其最大的優勢在於能夠承受極高的瞬態雜訊,而又不至於損耗資料和閉鎖。一些新的變壓器耦合閘極驅動器指定在50kV/us(MIN)的CMTI規格,但這仍無法達到獲得最高效率系統的目標。

最新的電容耦合解決方案指定CMTI在用於訊號完整時為200kV/us(MIN),而用在於閉鎖抗雜訊時為400kV/us(MAX),這一性能指標適用於當今最新的高頻系統設計。

使用電容耦合隔離驅動器還有其它的優勢,包括非常快速(低延遲),而且在通道之間以及元件之間的一致性優於其它解決方案。相較於一般光耦閘極驅動器,其傳輸延緩(延遲)性能更高10倍,而元件間的一致性也更高10倍甚至更多。這種一致性為設計人員帶來了另一個關鍵優勢:系統的整體調變方案可以進行微調以實現最高效率和安全性,而又無需因應規格變動。

這些驅動器還允許更低的電壓操作(2.5V,對比於5V)以及更廣的操作溫度範圍(-40℃至125℃ vs.光耦驅動器僅支援-40℃至105℃)。此類驅動器還提供其它先進的功能,例如輸入雜訊濾波器、非同步關斷能力以及多種配置,例如半橋或單晶片雙獨立通道驅動器。

產品安全性和長期可靠性也是這些應用中的關鍵,此外,關注這些屬性也是非常重要的。另外,新的驅動器在高電壓條件下有額定60年的工作壽命,比其它任何同類解決方案具備更長的使用壽命。表1總結與競爭性驅動器比較的關鍵差異。

20160511 Silabs TA31T1 表1:常用隔離閘極驅動器技術比較

結語

電源設計人員希望透過使用最快的電源切換技術,以最大限度地發揮其W/mm3。基於GaN和SiC的最新開關是目前可用的最快技術,但仍需要具備很高CMTI的閘極驅動器。例如,芯科實驗室(Silicon Labs)最新的電容耦合閘極驅動器能以更大餘裕滿足GaN和SiC的抗雜訊要求(要求120kV/us,但可提供200kV/us)。新型隔離閘極驅動器(Si827x)採用最新技術,讓設計人員能儘可能地提高系統效率和W/mm3。

20160511 Silabs TA31P4 圖4:具備高抗雜訊能力的電容耦合隔離閘極驅動器