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为什么数字电源中需要隔离?如何隔离?

电源技术 | 发布时间:2017-09-12 | 人气: | #评论# |本文关键字:数字电源,隔离
摘要:随着互联网和通信基础设施的蓬勃发展,数字控制技术在电 信、网络和计算机的电源系统中越来越受欢迎,因为这类技术 具备灵活性、器件数量减少、先进的控制算法、系统通信、对

随着互联网和通信基础设施的蓬勃发展,数字控制技术在电 信、网络和计算机的电源系统中越来越受欢迎,因为这类技术 具备灵活性、器件数量减少、先进的控制算法、系统通信、对 外部噪声和参数变化不太敏感等极具吸引力的优势。数字电源 广泛用于高端服务器、存储、电信砖式模块等经常会有隔离需 求的应用。

隔离在数字电源中的挑战是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。然而,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。而变压器的解决方案有体积庞大、磁饱和等问 题。这些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。本文讨论利用ADI公司 iCoupler®产品的数字隔离技术,来解决在数字电源设计中遇到 的这些问题。

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

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副边控制

ADP1051是ADI公司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。2 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。下文讨论了三种解决方案,即栅极驱动变压器、 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。

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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所示为由ADP3654驱动的栅极驱动变压器的电路。ADP3654 的VOA输出和VOB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:

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其中,VDD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VOB驱动为低电平时,Q1开启,Q2关闭。当 VOB驱动为高电平且VOA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。

双端栅极驱动变压器
图2. 双端栅极驱动变压器。

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。

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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,集成了电气隔离和强大栅极驱动功能的 4A隔离式半桥栅极驱动器ADuM7223提供独立的隔离式高端和低 端输出。图4显示了隔离式栅极驱动器解决方案。

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图4. 隔离式栅极驱动器解决方案。

在图5中,将ADuM7223隔离式栅极驱动器配置为自举栅极驱动 器来驱动半桥。DBST是外部自举二极管,CBST是外部自举电容。 在低端MOSFET Q2开启的每个周期内,VDD会通过自举二极管为 自举电容充电。为最大限度降低功耗,需要使用正向压降低且 反向恢复时间短的超快二极管。

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图5. 隔离式栅极驱动器配置为自举栅极驱动器。

原边控制

由于原边控制无需辅助隔离电源,并且具有简单的控制架构, 因此在某些低成本应用中,原边控制更为普遍。根据隔离控制 路径,下文论述了三种解决方案:线性光耦合器、普通光耦合 器(带标准放大器)以及隔离式放大器。

线性光耦合器

隔离数字电源中的输出电压通常需要快速准确的隔离反馈。光 耦合器经常用于将来自副边的模拟信号发送到原边,但其CTR 会随着温度而发生极大变化,且性能也会随着时间推移而下 降。图6显示了TCET1100的归一化CTR与环境温度特性。在该图 中,CTR的变化率在–25°C到+75°C的范围内会超过30%。

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图6. TECT1100的归一化CTR与温度。

如果在反馈环路中直接使用普通光耦合器来传输输出电压时, 很难保证输出电压精度。而普通光耦合器与误差放大器配合使 用,一般是传输补偿信号而不是输出电压信号。而ADP1051在 芯片内部已实现了数字环路补偿,因此不再需要补偿信号。一 种解决方案是使用线性光耦合器来线性传输输出电压,如图7 所示。但线性光耦合器成本高昂,这意味着用户必须支付额外 费用。

线性光耦合器解决方案
图7. 线性光耦合器解决方案

普通光耦合器(带标准放大器)

另外可使用一个普通光耦合器和一个标准放大器来实现原边控 制电路,如图8所示。在本例中,可实现高输出电压精度,不 会因为光耦合器的CTR温度变化而发生大幅变化。测量结果表 明,输出电压变化范围为±1%,当CTR范围为100%-200%。

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图8. 光耦合器(带放大器)解决方案。


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当CTR随温度而变化时,放大器的输出将补偿此变化以保持输 出电压的高精度。需要注意的是,放大器的稳定工作点和摆幅 范围应设计得足以满足CTR随温度而变化的要求,以防放大器 的输出饱和。

隔离式放大器

第三种解决方案是隔离式放大器,比如图9所示的ADuM3190。 ADuM3190是一种隔离式放大器,与光耦合器相比,具有高带宽 和高精度的特性,因此非常适合具有原边控制器的线性反馈电 源。与常用的光耦合器和分流稳压器解决方案相比,该解决方 案在瞬态响应、功率密度和稳定性方面均有所提高。只要设计 得当,ADuM3190可实现±1%的输出电压精度。

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图9. 隔离式放大器解决方案。

结语

如今由于电信、网络及计算机电力系统的安全性、高可靠性、 高功率密度以及智能管理的要求日益提高,隔离技术将发挥越 来越重要的作用。与传统的光耦合器和变压器解决方案相比, ADI公司的iCoupler ADuM3210、ADuM7223和ADuM3190结合数字电 源控制器ADP1051可提供高可靠性、高带宽和高功率密度的解 决方案。

参考资料

1 Baoxing Chen.“微变压器隔离有利于数字控制。”Power Electronics Technology ,2008年10月。

2 ADP1051数据手册。ADI公司,2014年。


责任编辑:电气自动化网

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