减小隔离式同步栅极驱动器的尺寸并降低复杂性的方案

电路

Brian Kennedy，ADI公司数字隔离器部高级应用工程师
内容提要
带同步整流功能的隔离式DC-DC转换器的传统设计方法是使用光耦合器或脉冲变压器进行隔离，并将其与一个栅极驱动器IC结合在一起。本文将说明光耦合器和脉冲变压器的局限性，并提出一种集成度更高的方法，其性能更高，解决方案尺寸和成本则低得多。
脉冲变压器
使用脉冲变压器可以耦合低电平信号、提供隔离并驱动功率开关，这种方法虽然具有一定优势，但也存在一些局限性。在栅极驱动应用中，脉冲变压器的一个优势是可以将3 V或5 V逻辑电平提升到15 V或更高的电压，以便驱动MOSFET的栅极。遗憾的是，为了驱动高电流同步整流器电路，可能需要一个单独的高电流栅极驱动器IC。还有一点需要考虑：脉冲变压器不能很好地处理占空比超过50%的信号，这是它在栅极驱动器应用中的一个主要缺点。原因在于变压器只能提供交流信号，因为铁芯磁通量必须每半个周期复位一次以维持伏秒平衡。
脉冲变压器的另一个缺点是效率损失。使用脉冲变压器驱动MOSFET的栅极时，变压器必须先用正电平驱动，然后用负电平驱动，以便维持伏秒平衡。用于驱动到负电平的能量不用于驱动MOSFET的栅极，仅正电平对栅极充电。在变压器由正直流电压驱动的典型应用中，一个隔直电容连接到变压器输入端，并且变压器由一个值为所施加电压½的正电压驱动。这意味着，负电压也是所施加电压的½，因此脉冲变压器的效率降低至50%。若将一个栅极驱动器添加到变压器输出端，则变压器和栅极驱动器的整体效率不再是50%，但脉冲变压器本身仍然存在至少50%的效率损失。
综上所述，脉冲变压器在栅极驱动器应用中具有如下缺点：占空比限制、效率低下、解决方案尺寸较大，因而不适合高功率、高密度同步整流应用。


图1. 脉冲变压器、光耦合器和ADuM3220栅极驱动器解决方案光耦合器
与脉冲变压器相比，使用光耦合器作为栅极驱动器来执行同步整流具有一些优势，但光耦合器本身也存在一些挑战。光耦合器不需要像脉冲变压器那样维持伏秒平衡，因而不存在脉冲变压器所具有的占空比限制。但是，光耦合器的响应速度受到原边发光二极管(LED)电容(典型值为60 pF)的限制，而且将二极管驱动至高达1 MHz的速度也会受到其传播延迟(最大值为100 ns)以及较慢的上升和下降时间(最大值为30 ns)的限制。
光耦合器用于同步整流器应用的一个主要问题是通道间的时序偏差。光耦合器是作为分立器件采用塑料封装构建的，通道间的差异无法像在集成半导体工艺中那样进行控制，因而通道间匹配可能很大(最大值为40 ns)。在同步整流电路中，通道间的时序需要精确控制，以便减少一个通道关闭与另一个通道开启之间的死区时间，否则开关损耗会提高，效率会受到影响。
由于电流传输比(CTR)的性质，使用光耦合器进行设计可能很困难；CTR定义输出晶体管的电流量与驱动LED所需的电流量之比。影响CTR的因素包括温度和老化，因此设计工程师需要估计CTR在光耦合器寿命和温度范围内的变化。为使CTR不随工作条件而变化，驱动LED所需的电流可能超过10 mA，这对于高效率设计而言功耗太大。
此外，对于高功率同步整流器电源，需要电阻来偏置LED和光电晶体管，需要栅极驱动器IC来提供光耦合器无法提供的高峰值电流。对于先进的紧凑型电源，光耦合器解决方案的尺寸显得过大。
ADuM3220 4 A栅极驱动器
ADuM3220设计用作隔离系统中的4A栅极驱动器，以实现同步DC-DC转换。传统解决方案使用2个隔离器和1个双通道栅极驱动器。如图1所示，一个双通道栅极驱动器IC可以与两个脉冲变压器或两个光耦合器通道相配合，由此构成的解决方案尺寸相当大。如果电源应用要求在较小的面积上提供大量功率，则图1所示的ADuM3220就是一种不错的解决方案，不仅面积缩小50%以上，而且集成度更高，成本更低。
同步整流采用N沟道MOSFET，而不是二极管，目的是降低传导损耗，并提高需提供数安培电流的电源效率。实施同步DC-DC转换器架构要求副MOSFET开关与主MOSFET开关保持开关同步。图2显示ADuM3220用于一个提供未调节输出电压的隔离式同步DC-DC转换器的应用电路。
DC-DC控制器向主开关和副开关发送PWM驱动信号。主开关Q1和Q2在推挽动作中以先开后合时序接通，驱动变压器T1的2个原线圈，如图2的时序波形所示。T1的副线圈需要与主线圈同步开关，即Q1接通时Q3接通，Q2接通时Q4接通。请注意，如果显示Q3和Q4 PWM波形的话，其时序应提前一个等于ADuM3220已知传播延迟的时间量，使得Q3和Q4在应该出现的时间出现。ADuM3220的典型传播延迟仅为45 ns，其中包括数字隔离器延迟和栅极驱动器延迟。栅极驱动器与隔离器集成后，传播延迟规格更精确，这是相对于分立脉冲变压器和光耦合器解决方案的一个优势。
在高频下执行PWM开关时，PWM控制信号需要非常严格的控制。例如，当PWM频率为ADuM3220的最大开关频率1 MHz且占空比为50%时，脉冲宽度为500 ns。如此小的脉冲宽度要求ADuM3220的通道间匹配非常出色，否则难以实现精确开关。ADuM3220的典型通道间匹配为1 ns，整个温度范围内的最大值为5 ns。ADuM3220通道间的精密匹配特性有助于防止交叉导通，以免损坏MOSFET，并使死区时间最短，从而降低开关损耗，提高效率。


图2. ADuM3220应用原理图和时序波形接下来我们考虑利用隔离反馈严格控制输出电压的应用，占空比不再是固定值50%，而是不断变化以控制输出电压。这种应用中，在主开关均断开期间，可能希望允许Q3和Q4开关同时接通，以防止Q3和Q4的主体二极管导通，导致效率下降。图3所示ADuM3221应用电路使用4 A栅极驱动器，它与ADuM3220非常相似，但不具有非重叠控制逻辑，因而允许Q3和Q4同时接通。与ADuM3220不同，图3所示提供调节输出的ADuM3221栅极驱动器时序图允许开关Q3和Q4在Q1和Q2均断开时接通。
总而言之，对于隔离式同步DC-DC应用，已经证明：与脉冲变压器和光耦合器解决方案相比，ADuM3220/ADuM3221能使解决方案尺寸缩小50%以上，通过集成降低设计复杂度，并且时序性能大为改善。


图3. 提供调节输出的ADuM3221应用原理图和时序波形有关数字隔离器的更多信息，请访问  www.analog.com/iCoupler .
作者简介
城分校，获得电气工程硕士学位，拥有丰富的数字隔离器IC应用经验。他目前负责数字隔离部的电源和工业应用。

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