使用微變壓器跨越隔離柵進(jìn)行信號(hào)和功率傳輸

出于安全和/或數(shù)據(jù)完整性考慮，通常需要電路組件之間的隔離。例如，隔離可保護(hù)系統(tǒng)側(cè)的敏感電路組件和人機(jī)接口免受現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的危險(xiǎn)電壓電平的影響，現(xiàn)場(chǎng)側(cè)存在更堅(jiān)固的組件，如傳感器和執(zhí)行器等更堅(jiān)固的組件。隔離還可以消除影響數(shù)據(jù)采集精度的共模噪聲或接地環(huán)路。雖然可以通過傳統(tǒng)的光耦合器或ADI耦合器器件實(shí)現(xiàn)跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸，但主要的挑戰(zhàn)和常見的難題是找到一種將功率從非隔離系統(tǒng)側(cè)傳輸?shù)礁綦x現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的方法。本文討論了一種新方法背后的技術(shù)，該方法通過使用ADI公司最新的i耦合器產(chǎn)品將電源隔離與數(shù)據(jù)信號(hào)隔離集成在一起，從而應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

直到最近，跨越隔離柵傳輸功率需要單獨(dú)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器相對(duì)較大，價(jià)格昂貴且隔離不足，或者采用定制的分立方法，該方法不僅體積龐大，而且難以設(shè)計(jì)。

這些方法是唯一可行的替代方案，即使在數(shù)據(jù)采集模塊等只需要少量隔離電源的應(yīng)用中也是如此。

ADI公司最近推出了一款完整的完全集成隔離解決方案，涉及使用微變壓器跨越隔離柵進(jìn)行信號(hào)和功率傳輸，從而解決了這一問題。這種對(duì)i耦合器技術(shù)的擴(kuò)展，稱為isoPower，是一個(gè)突破性的替代方案。單個(gè)組件中的信號(hào)和電源消除了對(duì)笨重、昂貴且難以設(shè)計(jì)的隔離電源的需求，并提供高達(dá) 5 kV 的充分隔離。它可以顯著降低總隔離系統(tǒng)成本、電路板空間和設(shè)計(jì)時(shí)間。如圖1所示，具有iso功率的2通道i耦合器器件體積小近90%，成本降低70%。

圖1.傳統(tǒng)方法和 isoPower 方法之間的成本和規(guī)模比較。

我耦合器技術(shù)與 iso電源

DC-DC轉(zhuǎn)換器的集成涉及使用變壓器開關(guān)、整流二極管，最重要的是變壓器。通過使用大約300 MHz的高開關(guān)頻率，可以減小變壓器的尺寸，使其集成到完整的隔離解決方案中。這與磁芯變壓器中使用的方法背道而馳，在磁芯變壓器中，磁芯的磁導(dǎo)率在高頻下開始下降，導(dǎo)致明顯的鐵芯損耗，從而降低了效率。此外，磁芯還可能影響變壓器的隔離額定值。另一方面，無芯i耦合變壓器可以在更高的頻率下切換，并且更容易實(shí)現(xiàn)。

i耦合器器件中使用的微變壓器建立在CMOS基板之上。圖2顯示了隔離變壓器結(jié)構(gòu)的橫截面，圖3是電源和信號(hào)變壓器的芯片照片。通過在初級(jí)和次級(jí)螺旋上使用 6 μm 厚的鍍金，將變壓器串聯(lián)電阻降至最低。初級(jí)和次級(jí)之間的 20 μm 厚聚酰亞胺可提供高達(dá) 5 kV 的高壓隔離。底部螺旋下額外的5 μm厚的聚酰亞胺有助于降低基板電容和基板損耗。通過使用可用的底層IC金屬精心設(shè)計(jì)的圖案接地屏蔽，進(jìn)一步降低了基板損耗。鄰近效應(yīng)和渦流損耗對(duì)于具有大磁耦合系數(shù)的堆疊式變壓器來說不太重要。線圈的設(shè)計(jì)可以通過優(yōu)化線圈參數(shù)來完成，例如匝數(shù)、走線寬度和走線間距。頂部線圈在 300 MHz 時(shí)的品質(zhì)因數(shù) （Q） 可高達(dá) 20，底部線圈可高達(dá) 15。微變壓器結(jié)構(gòu)的高 Q 值使高效的功率傳輸成為可能。

圖2.i耦合變壓器線圈的橫截面。

圖3.變壓器芯片的照片顯示了電力變壓器線圈和兩個(gè)數(shù)據(jù)變壓器線圈。

數(shù)字信號(hào)的傳輸是通過在變壓器上傳輸大約1 ns寬的短脈沖來實(shí)現(xiàn)的，其中兩個(gè)連續(xù)的短脈沖表示前沿，單個(gè)短脈沖作為下降沿。圖4顯示了信號(hào)傳輸框圖。次級(jí)上的不可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生檢測(cè)脈沖。如果檢測(cè)到兩個(gè)脈沖，則輸出設(shè)置為高電平。另一方面，如果檢測(cè)到單個(gè)脈沖，則輸出設(shè)置為低電平。輸入濾波器有助于提高抗噪性。當(dāng)大約1 μs未檢測(cè)到信號(hào)邊沿時(shí)，通過發(fā)送到變壓器的刷新信號(hào)來保證直流正確性。如果輸入為高電平，則產(chǎn)生兩個(gè)連續(xù)的短脈沖作為刷新脈沖，如果輸入為低電平，則產(chǎn)生單個(gè)短脈沖的刷新。為了補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)器側(cè)的刷新電路，接收器中實(shí)施看門狗，以確保在未檢測(cè)到刷新脈沖時(shí)輸出處于故障安全狀態(tài)。

圖4.數(shù)字信號(hào)傳輸框圖。

類似的微變壓器用于傳輸電力。由于L/R比小，變壓器需要高頻切換，以避免電流飽和并實(shí)現(xiàn)高效率。圖5顯示了以交叉耦合配置實(shí)現(xiàn)的四個(gè)互補(bǔ)CMOS開關(guān)的示例，以及形成持續(xù)振蕩的變壓器。儲(chǔ)罐組件尺寸經(jīng)過優(yōu)化，以最大限度地提高能量傳輸效率。集成的肖特基二極管用作整流裝置。這些二極管的導(dǎo)通和恢復(fù)速度足以實(shí)現(xiàn) 300 MHz 整流。二極管的尺寸需要使其在整流期間保持在肖特基區(qū)域。次級(jí)上的線性穩(wěn)壓器通過輸出負(fù)載或輸入電源變化來維持輸出電壓。對(duì)于許多低功耗應(yīng)用來說，效率不是問題。為了提高效率并保持能量調(diào)節(jié)，可以添加可選的反饋信號(hào)變壓器。反饋信號(hào)將打開/關(guān)閉LC諧振箱，而不是直接控制變壓器開關(guān)。這種方法將能量調(diào)節(jié)與能量轉(zhuǎn)換分開，允許優(yōu)化功率傳輸并保持調(diào)節(jié)。

圖5.功率傳輸框圖。

開關(guān)變壓器的一個(gè)常見問題是它們的電磁干擾，特別是對(duì)于開關(guān)頻率為300 MHz的變壓器。 使用遠(yuǎn)場(chǎng)近似，

300 MHz 處的波長 λ 約為 1 米，半徑在 0.5 mm 范圍內(nèi)的變壓器仍然是一個(gè)非常差的天線，r/λ 很小。據(jù)估計(jì)，即使該器件以300 MHz的頻率工作，環(huán)路電流為350 mA，總輻射功率仍小于500 pW。近場(chǎng)輻射隨著與變壓器的距離而迅速下降。片上變壓器僅通過小間隔緊密耦合，在本例中為20 μm。

應(yīng)用示例：ADuM5242在次級(jí)控制電源中的應(yīng)用

隨著新電源趨向于更低的電源電壓、更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及電源和負(fù)載之間的更多系統(tǒng)交互，次級(jí)控制架構(gòu)越來越受到關(guān)注。采用二級(jí)控制與一級(jí)控制有兩個(gè)主要困難。首先是需要高性能數(shù)字隔離與模擬隔離。在具有初級(jí)控制的系統(tǒng)中，通常使用廉價(jià)的模擬光耦合器將模擬反饋誤差信號(hào)從次級(jí)發(fā)送到初級(jí)，而對(duì)于具有初級(jí)控制的系統(tǒng)，則需要昂貴或笨重的數(shù)字耦合器來跨越隔離柵發(fā)送PWM信號(hào)。

第二個(gè)困難是在系統(tǒng)啟動(dòng)之前需要輔助控制器供電。主控制器沒有這樣的問題，因?yàn)橹鞫耸冀K有電源可用。有兩種方法可以解決此輔助控制啟動(dòng)問題。一種方法是添加專用于輔助控制器啟動(dòng)的輔助電源。第二種方法是在初級(jí)側(cè)安裝一個(gè)專用的啟動(dòng)組件，以在次級(jí)側(cè)建立初始偏置，以啟動(dòng)次級(jí)控制器。

ADI公司的ADuM5242是一款雙通道數(shù)字隔離器，具有50 mW隔離輸出，是解決啟動(dòng)問題的理想解決方案。這款 8 引腳 SOIC 組件提供兩個(gè)隔離通道，支持高達(dá) 10 Mbps 的 PWM 信號(hào)和 10 mA 的 5 V 隔離電源，用于啟動(dòng)次級(jí)控制器。用戶可以進(jìn)一步選擇在系統(tǒng)啟動(dòng)后禁用電源。禁用是通過監(jiān)視輸入電源電壓來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸入電源降至4 V以下時(shí)，圖5所示的反饋控制開關(guān)關(guān)斷。圖6是次級(jí)控制系統(tǒng)中ADuM5242的示例應(yīng)用框圖。兩個(gè)數(shù)字信號(hào)通道通過同步整流提供來自次級(jí)控制器的反饋信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)初級(jí)端的半橋驅(qū)動(dòng)器。

圖6.采用具有iso功率的ADuM5242的二級(jí)控制系統(tǒng)示例。

除了ADuM5242，還引入了另外兩種數(shù)據(jù)通道配置。ADuM5240具有兩個(gè)隔離輸出通道，而ADuM5241具有一個(gè)隔離輸出和一個(gè)隔離輸入。這提供了支持各種應(yīng)用的靈活性。ADuM524x產(chǎn)品還可以與其他多通道i耦合器器件結(jié)合使用，以配置更多的隔離信號(hào)通道。

總結(jié)

我采用 isoPower 的耦合器技術(shù)可在單個(gè)封裝內(nèi)提供完整的隔離解決方案。它不僅提供最先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)隔離，在功率、尺寸和性能方面比光耦合器具有顯著優(yōu)勢(shì)，而且還消除了對(duì)單獨(dú)隔離電源的需求。i耦合器技術(shù)為功能集成提供了前所未有的可能性，可以顯著降低隔離系統(tǒng)的復(fù)雜性、尺寸和總成本。

審核編輯：郭婷