可快速切换频率的电源，使用更安全

隔离电源系统普遍应用于伺服器系统、工业应用以及电信和网路设备，而在当今对于频宽有着强烈需求的物联网(IoT)时代，越来越多的系统都需要高效供电，因而不断驱动对于高功率转换效率与高成本效益的解决方案需求。

随着装置变得越来越小，电源也不得不顺应此趋势发展。因此，设计人员最重要的目标在于最大化单位体积功率(W/mm3)，而实现的方法之一就是使用更高性能的交换式电源。目前在这一领域已经有了大幅的创新，令人振奋的新产品现已上市，其不仅拥有高速切换能力，还提供了更高的系统效率和更小的元件尺寸。

这些新型开关包括基于更快速矽晶的新一代MOSFET，以及如氮化镓(GaN)或碳化矽(SiC)这一类新技术。相较于矽晶的垂直结构，新技术的横向结构使其成为低电荷装置，因此能够以每奈秒(ns)的速度切换几百伏特(V)电压，这非常适合快速切换的交换式电源系统。

其它优点则包括较高的电场强度和电子迁移率，这意味着开关的尺寸在特定的击穿电压和导通电阻条件下可以做到非常小。另外，它们也具备更宽的能隙(band gap)，这代表它们可以在更高的频率和更高的电流下安全的操作。

然而，对于电源而言，快速切换并非全无代价：它会产生高杂讯瞬变，从而导致讯号遗失，或由于闭锁(latch-up)使整个系统永久损坏。为了解决这个问题，必须大幅提升用于驱动这些新电源开关的元件抗杂讯能力。本文将介绍上述新技术，以及设计人员如何利用它们来克服未来会遇到的电源设计挑战。

电源转换器系统

让我们仔细看看常见的交换式电源(SMPS)，其中电源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，而且，也可在大多数情况下改变电压电平以满足应用的需要。

图1：典型的AC-DC SMPS方块图

图1显示的是典型的AC-DC SMPS方块图。AC输入电压首先整流成DC电压，然后此DC电压透过闸极驱动器在电源切换阶段进行调变。控制器产生让闸极驱动器用于调变电源开关的控制讯号。该切换电压透过预期匝数比的隔离变压器，在输出时取得适当的电压电平，然后该电压由同步FET整流回DC。同步FET也需要闸极驱动器控制其开关。电流和/或电压感测器监测输出，并且提供回馈到控制器以精准控制调变机制，进而获得最大性能。

电源转换器系统性能

正如前面所提及，设计人员面临的挑战是实现单位体积的最高功率，而达到这一目标的最佳办法是提高系统效率。经由切换“和/或传导”而损耗的功耗会产生热量，必须经由散热片安全地释放出去。散热片的尺寸增加了总体积，因此，创造更高效的设计有两个好处：增加有用输出功率和降低总体积。

为了实现此一目标，在保持安全性的同时，可用的最好工具之一是增加切换速率和频率。这具备以下优点：

• 更快的切换时间减少了切换损耗和所需散热片的大小；

• 更高的调变频率减少了输出电容和电感的体积与成本；

• 更高的调变频率减少了磁性材料(例如铁氧体)的不利影响；

• 更高的调变频率提高了瞬变响应，防止电压过冲/欠冲。

虽然这些优点备受青睐，但也存在一定风险。更快的切换会导致更高的切换瞬变，如图2所示。在目前采用GaN电源开关设计的先进系统中，切换时间典型值约为5ns，或者比传统系统更快10至20倍。例如，典型的600V高电压轨将导致120 kV/us瞬变(600V/5ns=120V/ns或者120kV/us)。

图2：电源转换器的切换瞬变

关键规格：共模瞬变抗杂讯能力(CMTI)

这种高杂讯瞬变会导致闸极驱动器失去讯号完整性，或是“突波”，造成系统的调变损耗；更糟的情况甚至产生可能触发功率MOSFET同时导通的杂散讯号，进而引发危险的电气短路。高瞬变也可能造成闸极驱动器进入永久的闭锁状态，这也会引发危险情况。

控制电源开关的闸极驱动器必须设计成能够承受这些瞬态杂讯，而又不至于产生突波或闭锁。在大多数厂商的资料手册中，驱动器能够承受这些共模杂讯瞬态的能力通 常被定义为CMTI，以kV/us表示。在上面的范例中，闸极驱动器CMTI应该清楚地被指定为至少120kV/us。

隔离闸极驱动器选项

在隔离的电源转换器系统中，闸极驱动器必须加以隔离，以保持主要和次级侧的隔离完整性。闸极驱动器通常为功率FET闸极提供最大4A的开关电流。对于特定的FET闸极电容，电流驱动能力越大，切换速率越快。图3显示闸极最高达400V功率FET的隔离闸极驱动器原理图。

图3：隔离闸极驱动器范例

目前有许多可用的隔离闸极驱动器解决方案

接面隔离驱动器：接面隔离驱动器以一个浮动的高压侧驱动器因应高电压轨。对于这样的装置而言，最高电压级约600V。这些产品通常十分经济实惠，但具备较小的瞬态抑制力，而且很容易闭锁而造成永久损坏或安全危害。一般来说，用于实现讯号完整性的CMTI范围在10kV/us之内，50kV/us范围则用于闭锁抗杂讯。

光耦驱动器：光耦闸极驱动器真正实现了隔离(相对于浮动高压侧驱动器)，长久以来一直如此。典型光耦驱动器的CMTI规格在10-20kV/us之间，而最新产品的CMTI则达到了更高性能的50kV/us(MIN)。

电容耦合和变压器耦合驱动器：除了接面驱动器或光耦驱动器技术外，如电容耦合或变压器耦合解决方案等技术也使性能提升一大截。

请牢记我们的终极目标——实现最快的切换速率同时确保安全性，其最大的优势在于能够承受极高的瞬态杂讯，而又不至于损耗资料和闭锁。一些新的变压器耦合闸极驱动器指定在50kV/us(MIN)的CMTI规格，但这仍无法达到获得最高效率系统的目标。

最新的电容耦合解决方案指定CMTI在用于讯号完整时为200kV/us(MIN)，而用在于闭锁抗杂讯时为400kV/us(MAX)，这一性能指标适用于当今最新的高频系统设计。

使用电容耦合隔离驱动器还有其它的优势，包括非常快速(低延迟)，而且在通道之间以及元件之间的一致性优于其它解决方案。相较于一般光耦闸极驱动器，其传输 延缓(延迟)性能更高10倍，而元件间的一致性也更高10倍甚至更多。这种一致性为设计人员带来了另一个关键优势：系统的整体调变方案可以进行微调以实现 最高效率和安全性，而又无需因应规格变动。

这些驱动器还允许更低的电压操作(2.5V，对比于5V)以及更广的操作温度范围(-40℃至125℃ vs.光耦驱动器仅支援-40℃至105℃)。此类驱动器还提供其它先进的功能，例如输入杂讯滤波器、非同步关断能力以及多种配置，例如半桥或单晶片双独立通道驱动器。

产品安全性和长期可靠性也是这些应用中的关键，此外，关注这些属性也是非常重要的。另外，新的驱动器在高电压条件下有额定60年的工作寿命，比其它任何同类解决方案具备更长的使用寿命。表1总结与竞争性驱动器比较的关键差异。

表1：常用隔离闸极驱动器技术比较

结语

电源设计人员希望透过使用最快的电源切换技术，以最大限度地发挥其W/mm3。基于GaN和SiC的最新开关是目前可用的最快技术，但仍需要具备很高 CMTI的闸极驱动器。例如，芯科实验室(SILICON LABS)最新的电容耦合闸极驱动器能以更大余裕满足GaN和SiC的抗杂讯要求(要求120kV/us，但可提供200kV/us)。新型隔离闸极驱动器(Si827x)采用最新技术，让设计人员能尽可能地提高系统效率和W/mm3。

图4：具备高抗杂讯能力的电容耦合隔离闸极驱动器