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[技術文章] 美商NVE IsoLoop®隔離器啟用下一代開關模式電源

開關模式電源 (SMPS) 因其功率密度、效率和可靠性而得到廣泛應用。多年來,SMPS 技術穩步提高。本文將回顧 SMPS 技術發展的主要里程碑,並趁此說明NVE的 2.5 kV MSOP IsoLoop®隔離器的優勢,以實現比以往更好的電源供應器設計應用。

SMPS 演進
圖 1 總結了 SMPS 演變:



雖然所有類型仍被使用,但開關模式電源已經從非同步降壓轉換器改變到同步整流器。同步整流已從自同步發展到控制器驅動。大多數的 SMPS 設計都是內部隔離的。同步閘極驅動隔離是現代 SMPS 中最具挑戰性的隔離元件,它是從脈衝變壓器, 光耦合器,到像NVE的IsoLoop 自旋電子隔離器等的數位隔離器。

非同步降壓轉換器
非同步降壓轉換器依靠二極體進行整流,通常是肖特基二極體,因為它們的電壓降比傳統的矽二極體低。二極體正向電壓降降低了效率,但此限制可防止二極體正向電壓降至約 0.3 伏以下。隨著 SMPS 電壓的降低,二極體損耗變得更加顯著。
 
同步整流
同步整流使用MOSFET來校正波形。與二極體不同,MOSFET 電壓降是歐姆阻抗,沒有固有的下限。
同步整流可以是自同步的,也可以是同步的控制器。
 
自同步整流
自驅動同步整流主要是依靠交流電的波形來切換MOSFET。透過四個 MOSFET 的橋式連結提供全波整流。此配置不需要任何其他電子元件。但是,由於切換 MOSFET 所需的電壓,整流與交流電的波形零交叉法提供較為完整的同步,從而導致低效率。此外,閘極電壓並不總是足以將 MOSFET 的電阻降至最低,這意味著額外的低效率的產生。

控制器驅動的同步整流
控制器驅動的同步整整使用脈衝寬度調製控制器的信號來驅動整流器 MOSFETs。這允許與交流電波形進行近乎完美的同步,從而達最大限度的效率。它只需要兩個MOSFETs,而不是四個。要求苛刻的應用使用控制器驅動的整流,因為它提供最高的效率、最小尺寸和t產生最小熱能。但是,控制器驅動的整流為 MOSFET 閘極驅動與控制器的高速隔離提供了額外的挑戰。

電氣隔離
在大多數應用中,電源供應器的輸出必須與輸入兩端電氣隔離,以確保安全並防止噪音和接地回路。SMPS 可以使用外部隔離變壓器或內部隔離。外部隔離越來越不常見,因為它需要大型變壓器。220/240伏電壓的SMPS 內部隔離元件的要求為 2.5 kVrms/1分鐘。這種要求的隔離電壓比電源電壓高出一個數量級,以確保浪湧和瞬變的余量超過充足。圖 2 中的典型 SMPS 電路顯示了通常必須穿過 SMPS 隔離屏障的三個信號:變壓器將脈衝寬度調製控制器與輸出電壓隔離開來; 提供隔離回饋的輸出誤差放大器;和兩個隔離通道來驅動同步閘極驅動器。

圖 2 典型的SMPS的線路設計



閘極驅動隔離器
常見的閘極驅動隔離器, 包括脈衝變壓器、光耦合器和數位隔離器。
 
1. 脈衝變壓器
在同步的SMPS的早期,閘極驅動變壓器用於閘極驅動隔離。優點是變壓器有時可以傳輸足夠的功率直接驅動MOSFET,變壓器通常堅固耐用,具有高隔離電壓和良好的長時間的可靠性。不幸的是,它們比光耦合器或固態隔離器大。此外,因為它們具有電感性,因此只能傳輸有限的脈衝寬度於限制的控制範圍內。
 
2. 光耦合器
光耦合器沒有閘極驅動變壓器的脈衝寬度限制,而且往往體積比較小。它們還有較佳的低電磁波(EMI)干擾的優點。另一方面,光耦合器傳輸速度相對較慢,導致驅動波形失真和不精確的整流。它也有相對較低的瞬態免疫力,使它們容易受到雜散的開關切換。最後,光學耦合器往往會漂移並因為LED會隨著時間而退化,導致最終失效。有限的使用壽命將是一個主要的問題。儘管光耦合器存在局限性,但隔離類比訊號錯誤回饋仍然是接受度很高,因為下一代數位隔離器不適合類比信號。

3. 數位隔離器
非光學數位隔離器正在許多應用中取代了光耦合器和脈衝變壓器,也包括閘極驅動隔離。它們通常比光耦合器快,具有較高的瞬態免疫力及較長的使用壽命。
 
三種數位隔離器類型用於閘極隔離:電感、電容和自旋電子。

3-1: 電感隔離器使用射頻載波通過微型天線或變壓器來傳輸資料。其中許多器件比光耦合器快,但載波頻率限制了脈衝位置的精度。它們通常也比光耦合器小,具有更高的瞬態免疫力及較長的使用壽命。操作壽命受這些設備中的隔離屏障的限制。屏障是非常薄的(小於千分之一英寸)聚合物或氧化物。屏障必須承受高電壓,小尺寸使其易受擴散或部分放電故障的影響。電感式數位隔離器的操作壽命為 50 到 100 年,比光耦合器長,但統計上任何特定設備因此故障的可能性要來的快些。

3-2 : 電容隔離器使用改變的電場跨過隔離屏障來傳輸資料。與電感隔離器一樣,這需要高頻訊號,從而導致不精確和較差的電磁波干擾。電容式隔離器的使用壽命約為13年,可靠性遠低於其他數位隔離器。

3-3 : 如圖 3 所示,NVE 的 IsoLoop 自旋電子隔離器使用磁性而不是光傳輸資料,具有速度和精度的優勢。因為它們沒有射頻載波或更新時序,自旋電子隔離器所產的輻射大幅價低了電磁干擾。這對滿足 EN55022-B 或, FCC part B 等標準是非常重要。與其他數位隔離器一樣,IsoLoop 隔離器使用薄屏障,通過獨特的陶瓷/聚合物複合屏障克服了可靠性問題。IsoLoop 隔離器壽命可達 44000 年,因此這些部件不會顯著降低總體 SMPS 故障率。

圖 3a 和 3b :與 IsoLoop 隔離器(右)相比,光耦合器(左)

                  3a. 光耦合器使用光傳輸資料                                                   3b. IsoLoop隔離器使用磁耦合和電子自旋



未來趨勢
SMPS 預計將繼續變得更小、更高效、更可靠。相關的產品的製造商正在縮小 SMPS的元器件。例如,圖 2 中的 PWM 控制器和閘極驅動均提供小型無鉛封裝(LM5035 的WQFN-24 和 LM5110的WSON-10)。IL711V-1提供了MSOP-8 (標準SOIC-8隔離器的50%大小),並具有2.5 kV 隔離電壓。更快速的電子元件和更高的工作頻率將可搭配更小的電感元件於SMPS的電路設計中。

更高效
MOSFET 製造商不斷在降低汲極(Drain)-源極(Source)的阻值,以儘量減少損耗,並降低總閘極電荷的速度。閘極驅動器也變得越來越快,因此也提高了效率。

更可靠
誤差放大器隔離正在成為SMPS可靠性的一個薄弱的環節。混合數位隔離放大器(即由隔離器分離的類比到數位調製器和解調器)可能變得精確且低價格,並逐漸取代廣泛使用的類比光耦合器。
當然啦,IsoLoop® 隔離器是閘極驅動隔離的另一理想選擇。

結論 :
此IsoLoop®數位隔離器在開關模式電源(SMPS)的應用主要功能,包括:
  • 非常小體積, MSOP-8 2500 VRMS 隔離 (IL711V-1E)
  • 寬體 SOIC-16 中的 1000 VRMS 工作電壓,用於獲得最佳工作電壓 (IL711VE)
  • 300 ps 脈衝寬度失真和 100 ps 脈衝抖動,實現最佳信號逼真度
  • 同類最佳的 50 kV/μs 瞬態抗擾度
  • 最佳的抗電磁干擾 (EMI)
  • 44000 年屏障壽命大幅提高系統的可靠性
關於NVE
NVE公司是自旋電子學實際商業化的領導者,這是一種納米技術,它依靠電子自旋而不是電子電荷來獲取,存儲和傳輸信息。NVE公司生產高性能自旋電子產品,包括 用於採集和傳輸數據的傳感器和耦合器。產品尺寸更小,精度更高,速度更快,比傳統設備更堅固耐用。NVE元器件在工業科學醫療應用中廣受歡迎。傳感器獲取信息,耦合器傳輸信息,存儲器存儲信息。因此,我們的技術可以被視為提供電子系統的眼睛,神經和大腦。
NVE由霍尼韋爾前高管James M. Daughton博士於1989年創立。該公司位於明尼蘇達州明尼蘇達州郊區的Eden Prairie。