简介
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
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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%。
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。
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%。
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。
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。
