高功率电源应用@@中需要怎样的@@隔离驱动@@?

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在@@电源与@@充电桩等高功率应用中@@,通常需要专用驱动器来驱动最后一级的@@功率晶体管@@。这是因为大多数微控制器输出@@并没有针对@@功率晶体管的@@@@驱动进行优化@@,如足够的@@驱动电流@@和驱动保护功能等@@,而且@@直接用微控制器来驱动@@,会导致功耗过大等弊端@@。

首先@@,在@@功率晶体管开关过程中@@,栅极电容充放电会在@@输出@@端产生较高的@@电压与@@电流@@@@,高电压与@@高电流@@同时存在@@时@@,会造成相当大的@@开关损耗@@,降低电源效率@@。因此@@,在@@控制器和晶体管之间引入驱动器@@,可以@@有效放大控制器的@@驱动信号@@,从而更快地对@@功率管栅极电容进行充放电@@,来缩短功率管在@@栅极的@@上电时间@@,降低晶体管损耗@@,提高开关效率@@。其次@@,更大的@@电流@@可以@@提高开关频率@@@@,开关频率@@提高以@@后@@,可以@@使用更小的@@磁性器件@@,以@@降低成本@@,减小产品体积@@。

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为什么要用隔离驱动@@?

给功率管增加@@驱动的@@方式有两种@@,一种是非隔离驱动@@,一种是隔离驱动@@。传统电路里面经常见到@@非隔离驱动@@,在@@高压应用中一般采用半桥非隔离驱动@@,该驱动有高低两个通道@@,低侧是一个简单的@@缓冲器@@,通常与@@控制输入@@有相同的@@接地点@@;高侧则除了缓冲器@@,还包含高电压电平转换器@@。

非隔离驱动有很多局限性@@。首先@@,非隔离驱动模块整体都在@@同一硅片上@@,因此@@耐压无法超出硅工艺极限@@,大多数非隔离驱动器@@的@@工作电压都不超过@@700伏@@。其次@@,当高侧功率管关闭而低侧功率管打开时@@,由于寄生电感效应@@,两管之间的@@电压可能会出现负压@@,而非隔离驱动耐负压能力较弱@@,所以@@如果采用非隔离驱动@@,应特别注意两管间电路设计@@。第三@@,非隔离驱动中需要用到@@高电压电平转换器@@,高电平转换到@@低电平时会带来噪声@@,为了滤除这些噪声@@,电平转换器中通常加入滤波器@@,这会增加@@传播延迟@@,而低侧驱动器就需要额外增加@@传输延迟@@,以@@匹配高侧驱动器@@,这就既增加@@了成本@@,又使得延迟很长@@。第四@@,非隔离驱动与@@控制芯片共地@@,不够灵活@@,无法满足现在@@许多复杂的@@拓扑@@电路要求@@,例如在@@三相@@PFC三电平拓扑@@中@@,要求多个输出@@能够转换至控制公共端电平以@@上或以@@下@@,所以@@这种场景无法使用非隔离驱动@@。

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相比非隔离驱动@@,隔离驱动就有很多优势@@,这里以@@数字隔离驱动来做说明@@。在@@数字隔离驱动器@@@@内部@@,有两块或更多的@@硅片@@,硅片之间通过绝缘材料隔离@@,而控制信号通过电容型或电磁型方式穿过隔离层来传递@@,从而让输入@@与@@输出@@处于不同硅片上@@,这种隔离方式能绕过硅工艺极限@@,可以@@满足高耐压需求@@,隔离驱动可以@@承受@@10kV以@@上的@@浪涌电压@@。此外@@,两个输出@@驱动之间@@,也有绝缘材料建构的@@隔离带@@,所以@@与@@非隔离驱动要求与@@控制信号共地不同@@,隔离输出@@接地点选择更灵活@@,可以@@匹配不同电路拓扑@@需要@@。

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纳芯微@@NSi8100N系列@@双通道双向@@I2C数字隔离器满足@@AEC-Q100标准@@,数据率高达@@150Mbps,时钟速率可达@@2MHz,提供数字通道方向配置选择@@,输出@@默认高电平和低电平选择@@。宽供电范围可直接对@@接大多数@@MCU等数字接口@@,并且可以@@方便的@@提供电平转换功能@@。纳芯微@@最新推出的@@隔离@@CAN收发器@@NSi1050的@@传输速率可达@@1Mbps,远高于电摩@@BMS标准@@的@@要求@@。

数字隔离驱动器@@@@的@@优势@@

光耦隔离是传统的@@隔离方式@@,但与@@数字隔离相比@@,光耦隔离在@@性能和面积上都不占优势@@。

首先@@,光耦隔离方案传输延迟较大@@,通常在@@百纳秒@@以@@上@@。在@@光耦隔离方案中@@,LED将栅极驱动信号转换为光信号@@,再通过光电二极管等光敏电路转换为待测电信号@@,根据结构设计的@@不同@@,常见的@@光耦传播延迟在@@几百纳秒@@甚至微秒级@@。高速光耦通过优化内部寄生参数@@、增加@@LED驱动强度等设计@@,可在@@几十纳秒@@时间内接通和断开@@,但成本会上升很多@@。

常规光耦方案的@@传播延迟甚至不如非隔离驱动@@。在@@半桥非隔离驱动中@@,因为增加@@添加了速度较慢的@@高电压电平转换器@@,以@@及@@去毛刺和滤波电路@@,常见延迟时间可达到@@@@@@100纳秒@@,因为低侧要与@@高侧匹配@@,所以@@要在@@低侧添加一个单独的@@延迟时钟@@,整个系统传播延迟在@@@@100纳秒@@左右@@。

数字隔离驱动通过上百兆高频载波编解码@@,开关只需几纳秒@@甚至更短的@@时间@@。但由于内部逻辑延迟和去毛刺滤波设计@@,所以@@延迟到@@几十纳秒@@@@。以@@纳芯微@@@@NSi6602为例@@,隔离驱动传输延迟典型值@@是在@@@@25纳秒@@,最高值@@不超过@@35纳秒@@。

其次@@,光耦方案脉宽失真较大@@。因为光电检测器中的@@@@LED开启和关闭时间并不总是对@@称@@,且温度越高不对@@称越严重@@,所以@@光耦脉宽失真比较严重@@,光耦方案脉宽失真范围从几十纳秒@@到@@几百纳秒@@@@。

数字隔离驱动的@@脉宽失真主要由振荡器计时精度@@、隔离层传输特性和接收端检测电路造成@@。NSi6602可将脉宽失真控制在@@@@6纳秒@@以@@内@@,在@@脉宽失真这项参数上@@,数字隔离驱动也是大幅领先@@。

其他在@@设计中要注意的@@参数@@

除了传播延迟和脉宽失真@@。在@@半桥拓扑@@中@@,如果使用单通道隔离驱动器@@@@,需要注意上下两通道的@@延时匹配@@,如果采用了不同批次的@@器件@@,很容易带来延时匹配问题@@,另外@@,两个单通道隔离驱动在@@工作时结温可能也会有差异@@,温度差也会导致信号传输延时@@。对@@NSi6602这种高集成的@@双通道半桥数字隔离驱动而言@@,就不太需要考虑延时匹配问题@@,这是因为在@@封装时@@,纳芯微@@都会选择同一批次而且@@在@@晶圆上位置最接近的@@一对@@接收器@@,这样制造差异影响最小@@,而一对@@接收器封装在@@同一个芯片中@@,也能减少温度差异对@@延时的@@影响@@。NSi6602可将上下通道的@@延时匹配这个指标@@控制在@@@@5纳秒@@以@@内@@。

共模瞬态抗干扰度@@(CMTI)也是一个需要注意的@@指标@@@@。特别是如果驱动后级接的@@是碳化硅功率管@@,这是因为碳化硅功率管寄生电容更小@@,所以@@电压瞬态变化值@@更大@@,同样一个系统@@,如果从@@MOS功率管改为碳化硅功率管@@,其瞬态电压比时间@@(dV/dt)的@@峰值@@会是@@MOS管的@@@@2到@@3倍@@,所以@@需要更高的@@@@CMTI指标@@。NSi6602的@@CMTI达到@@@@±150kV/μs,驱动碳化硅功率管毫无压力@@。

在@@5G基站@@、数据中心@@和充电桩中的@@应用@@

随着开关电源的@@小型化和智能化@@,在@@5G通信@@、数据中心@@、充电桩和车载@@电源中@@@@,工程师越来越多选择隔离驱动以@@增强电源性能@@。

由于历史原因@@,通信@@系统直流供电一般采用@@-48V输入@@,即备@@电电池的@@正端接地@@。在@@过去@@,通信@@设备@@内部通常采用升降压式@@(Buck-Boost)非隔离拓扑@@来实现输入@@负压到@@输出@@正压的@@转换@@。但伴随@@5G的@@到@@来@@,基站@@部署数量增加@@@@,基站@@设备@@小型化要求也越来越高@@,这就需要在@@电源部分进一步提高功率密度@@,采用隔离驱动会带来很多好处@@。

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非隔离驱动需要与@@控制芯片共地@@,所以@@非隔离驱动中@@,控制芯片地只能取在@@@@-48V,这就使得控制芯片易受到@@来自@@-48V电平的@@浪涌或雷击等影响@@。而采用隔离驱动@@,则可以@@把控制芯片与@@驱动接到@@不同的@@接地点@@,控制芯片可以@@接在@@@@PGND(即设备@@地@@),所以@@不易受雷击与@@浪涌影响@@,抗干扰能力强@@。而且@@,控制芯片接到@@设备@@地也使得其与@@上位机通信@@更加方便@@,不需要再加总线隔离芯片@@,输出@@采样也不用隔离@@,电源性能更稳定@@,采样保护更及@@时@@。

在@@数据中心@@交流转直流@@(AC-DC)电源中@@,也可以@@通过加入@@NSi6602隔离半桥驱动来改善电源性能@@,在@@流行的@@整流桥加升压@@PFC与@@LLC架构中@@,还可以@@通过增加@@隔离半桥驱动的@@方式@@,将有桥@@PFC改为无桥@@PFC,从而减少二极管使用数量@@,并提高电源效率@@。

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在@@新能源汽车充电桩中的@@直流转交流电源通常采用三相交流供电@@,由于该设备@@须人员操作@@,所以@@在@@安全标准@@上要求极高@@,需要在@@操作人员可使用的@@接口与@@任何高压电路之间提供增强隔离@@,以@@满足系统对@@安全的@@要求@@,防止瞬时过压@@、浪涌过压和爬电等造成的@@安全隐患@@。这时候@@,隔离驱动就是最好的@@选择@@。

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事实上@@,充电桩直流输出@@高达@@800V,而非隔离驱动最高耐压只有@@700V,无法满足充电桩应用的@@基本要求@@。而变压器隔离驱动效率低@@、器件多@@、面积大@@。以@@NSi6602为代表的@@数字隔离驱动则具有高集成特性@@,成本更低@@,而且@@满足加强绝缘要求@@,在@@可承受耐压条件下@@,可工作十年以@@上@@。

基于隔离半桥驱动的@@@@240W高效率同步整流电源方案@@

如下图@@所示@@,是一款可用于通信@@系统的@@@@48V输入@@、12V输出@@240W的@@隔离半桥同步整流电源方案@@,其开关频率@@为@@200KHz,最高效率可达@@95%

此电源方案的@@半桥功率管驱动部分与@@副边同步整流功率管驱动部分采用了纳芯微@@高集成度@@、高可靠性隔离半桥驱动芯片@@NSi6602,输出@@反馈控制部分采用了纳芯微@@高精度隔离误差放大器@@NSi3190。此方案支持输入@@电压范围@@36V-60V,输出@@电压@@12V,电流@@20A,开关频率@@200KHz,原副边的@@辅助供电电路采用@@Fly-buck拓扑@@,本电源具备@@@@UVLO\OVP\OCP\OTP等多种保护功能@@。功能框图@@如下@@:

 240W同步整流电源功能框图@@@@

图@@:240W同步整流电源功能框图@@@@

点击获取更多关于此方案的@@详细资料和数据@@。

总结@@

在@@5G通信@@、数据中心@@、充电桩和车载@@电源等应用中@@,无论是与@@非隔离驱动@@,还是与@@光耦隔离驱动相比@@,数字隔离驱动在@@传播时延@@、可靠性和尺寸等方面都具有明显的@@优势@@,由于集成度高@@,成本优势也很明显@@,特别适合当前开关电源设计智能化@@、小型化的@@趋势@@。

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