隔离

<strong>Maurice Moroney 市场经理 ADI公司</strong>

基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的新型功率开关技术的出现促使性能大幅提升，超越了基于MOSFET和IGBT技术的传统系统。更高的开关频率将减小元件尺寸，从而减小成本、系统尺寸和重量；这些是汽车和能源等市场中的主要优势。新型功率开关还将促使其控制元件发生变化，其中包括栅极驱动器。本文将探讨GaN和SiC开关与IGBT/MOSFET的一些主要差异，以及栅极驱动器将如何为这些差异提供支持。

多年来，功率输出系统的功率开关技术选择一直非常简单。在低电压水平(通常为600 V以下)，通常会选择MOSFET；在高电压水平，通常会更多地选择IGBT。随着氮化镓和碳化硅形式的新型功率开关技术的出现，这种情况正面临威胁。

<strong>作者：John Wynne</strong>

电动汽车逐渐成为近年来的一个热门话题。这种“绿色”汽车依靠串联电池组来获得足够高的电压，从而有效驱动电机。全电动汽车 (EV) 和混合动力汽车 (HEV) 均采用这种高压 (HV)电池组。HEV 依靠内燃机 (ICE) 充电，而且在许多情况下，内燃机也会提供动力。EV 则必须插入电源中充电，有些新型混合动力设计称为“插电式混合动力汽车”(PHEV)，它基本上可视为一种 EV，但配有内燃机以延长行驶里程。

高压电池组已广泛用于许多工业和交通运输业以外的领域，通常可用作：以直流形式储存输电网电能的不间断电源 (UPS)；48-V 通信设备中的应急直流电源；起重机和电梯系统中的应急电源；以及紧急情况下驱动风力涡轮机的叶片。虽然本文讨论汽车中电池组的使用，但一些根本问题在所有类型电池组中都会存在。

交通运输应用中的电池组一般含有 100 块甚至更多的电池，可提供数百伏电压。一般公认 50 V 或 60 V 以上的电压可以致命，而可能导致电子设备损坏的电压则更低（考虑利用某些类型电化学反应的电池稳定性），因此安全问题至关重要。虽然这些电池组本身具有危险性，但仍然必须与电池壳内的电池监控电子设备通信。因此，通信方式必须安全可靠。

作为系统硬件设计工程师的您，是否还在为选择高性价比的多路电源输出的隔离方案而苦恼呢？比如说+15V， -15V， +5V的三路隔离电源输出， 在大多数情况下，凡是用到运放（AMP），模拟开关（MUX）和模拟量驱动输出（+/-10V，+/-20mA）的时候都会需要用到它，而系统隔离往往又是增强工业产品可靠性的重要保证。如果您目前还不具备专业的电源设计经验，特别是变压器参数方面的设计，您的首选可能会是购买隔离电源模块，优点是体积小，使用方便，但是市面上能够直接支持+/-15V，+5V多路输出的隔离电源模块的种类非常少，而且价格普遍不菲。

众所周知，ADI和Linear合并可谓是强强联手，解决您的痛一直是我们不懈努力和最求的目标。为此，针对此类应用，我们提供了多种简单易用的参考方案，提供标准的变压器设计指标，从而可以满足客户不同工况，不同功率的使用需求。

<strong>ADI为您提供</strong>

* 最新隔离电源控制器LT8301 – 体积小，效率高，使用超级简单
* 4通道i-coupler隔离的隔离电源控制器 ADuM3471 – 自带SPI接口
* 提供变压器厂商的推荐型号和设计参数
* 提供多样的集成参考电路，评估板

<strong>George Qian 和 Michael Wu Analog Devices 公司</strong>

隔离型反激式转换器广泛用于汽车、工业、医疗和电信领域，在此类应用中电源必须具有可靠、易用、高电压和隔离的特性，隔离型反激式转换器必须随着负载、电压和温度的变化提供卓越的稳压性能。LT8304-1 是一款隔离型、非光反激式转换器，其专为高输出电压应用而优化，可提供高达 1000 V 的输出。

传统上，稳压反馈环路需要一个体积庞大的高电压分压器连同光耦合器，前者用于直接检测高输出电压，后者则用于穿过隔离势垒传回反馈信息。由于一个 1206 电阻器最多能承受 200 V（最大值）的高电压，因而产生了尺寸庞大的电阻器解决方案。这样一来，为了检测 1000 V 的电压，需要至少 6 个 1206 电阻器和一个小的底端电阻器。

<strong>从一个 4 V 至 28 V 输入产生 1000 V/15 mA 输出</strong>

<strong>作者：Mark Cantrell，ADI公司</strong>

<strong>标准是一种资产——如果您了解它们的话</strong>

本文探讨如何有效使用IEC(国际电工委员会)安全标准，以便从数百项可用标准中找出与问题相关的标准，探索设计的限制条件。IEC的标准和支持文件常常被设计人员视为累赘，但如果您对其包含的内容有一些了解，知道如何查找和使用它们，最重要的是知道从哪里起步，那么它们其实是一笔巨大的财富。本文将说明如何使用从多家安全机构免费获得的信息来构建标准之间的关系图。

设计工程师是富有创造力的一群人。在尺寸、成本和性能的约束范围内优化电路设计，好比是艺术家在可用色彩和画布类型的约束范围内描绘肖像。设计工程师的调色盘就是各种可用元器件和最新的架构思想，结合一些原创贡献，就能做出前所未有的东西。衡量设计成功与否的标准是简洁和精致。不幸的是，对设计的简洁性和精致性打击最大的莫过于要遵从洋洋洒洒300页的安全规则手册，而且其中的一些指南看起来并无明确的道理。在处理安全标准上，工程师们似乎在两个极端之间摇摆不定。

<strong>一个极端</strong>

<strong>作者：Van Yang、Songtao Mu和Derrick Hartmann</strong>

<strong>简介</strong>

在高端工厂自动化应用中（如油气厂和电厂），常会要求多路采集通道与通道之间进行隔离，其中高耐压、小尺寸、低EMI、高可靠性和低成本等要求在通道间隔离设计中别具挑战性。通常目前现有成熟方案，标准模块实现的通道密度往往仅限于四个通道或八个通道，通道间隔离只能承受数百伏特耐压。

本文将简要讨论在过程控制中模拟量输入模块中的隔离问题以及其传统解决方法，然后将提出一种替代性的高密度、易于设计的通道间隔离模拟输入模块的完整解决方案。测试结果表明，这个16通道、2.5 kV rms通道间隔离演示模块可以轻松通过EN55022 Class B和Class A的IEC辐射标准。

<strong>过程控制模拟量输入模块中的隔离</strong>

电气隔离原理是以物理和电气方式分开两个电路，使二者之间无直接传导路径，但仍然可以交换数据和电源。这通常是通过变压器、光耦合器或电容来实现的。隔离用于保护电路和人，隔断接地环路，提高共模电压和噪声抑制性能。

半导体技术的进步将电路尺寸不断压缩，曾经用一个大房间才能存放的大型计算机性能今天一台笔记本就可以做到，集成电路的集成度已经达到单芯片数亿晶体管的规模。然而，半导体技术一路高歌猛进却似乎总是有几道“魔咒”难以破除，包括电容、电感、光耦和变压器这样的无源器件的集成一直没有明显的突破，特别是尺寸庞大但应用广泛的变压器成了开关电源设计工程师一直以来的噩梦，大尺寸、高功耗、EMI辐射、纹波……各种掣肘如影随形。

作为高性能模拟技术提供商，ADI一直在尝试突破这些阻碍模拟技术进步的“魔障”，其研发的iCoupler磁隔离技术将传统的变压器用标准半导体制造工艺实现了集成，将传统的采用磁芯的机械式变压器片上化，并且具有高带宽、低电感和高阻抗等优点。ADI公司利用微变压器设计方面的经验，开发出了芯片级DC-DC功率转换器isoPower系列。最近，ADI再次发布isoPower系列新品，将产品的关键性能EMI指标实现“大跃进”，磁隔离在传统性能优势上进一步解决了过去EMI短板，实现鱼与熊掌可以得兼的目标。

<strong>George Qian 和 Michael Wu Analog Devices 公司</strong>

隔离型反激式转换器广泛用于汽车、工业、医疗和电信领域，在此类应用中电源必须具有可靠、易用、高电压和隔离的特性，隔离型反激式转换器必须随着负载、电压和温度的变化提供卓越的稳压性能。LT8304-1 是一款隔离型、非光反激式转换器，其专为高输出电压应用而优化，可提供高达 1000 V 的
输出。

传统上，稳压反馈环路需要一个体积庞大的高电压分压器连同光耦合器，前者用于直接检测高输出电压，后者则用于穿过隔离势垒传回反馈信息。由于一个 1206 电阻器最多能承受200 V（最大值）的高电压，因而产生了尺寸庞大的电阻器解决方案。这样一来，为了检测 1000 V 的电压，需要至少 6 个
1206 电阻器和一个小的底端电阻器。

IGBT/功率 MOSFET 是一种电压控制型器件，可用作电源电路、电机驱动器和其它系统中的开关元件。
栅极是每个器件的电气隔离控制端。
MOSFET的另外两端是源极和漏极，而对于IGBT，它们被称为集电极和发射极。
为了操作MOSFET/IGBT，通常须将一个电压施加于栅极（相对于器件的源极/发射极而言）。使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。
本文讨论栅极驱动器是什么，为何需要栅极驱动器，以及如何定义其基本参数，如时序、驱动强度和隔离度。

为什么需要栅极驱动器

IGBT/功率MOSFET的结构使得栅极形成一个非线性电容。给栅极电容充电会使功率器件导通，并允许电流在其漏极和源极引脚之间流动，而放电则会使器件关断，漏极和源极引脚上就可以阻断大电压。当栅极电容充电且器件刚好可以导通时的最小电压就是阈值电压(VTH)。为将IGBT/功率MOSFET用作开关，应在栅极和源极/发射极引脚之间施加一个充分大于VTH 的电压。