导言
阻隔电源体系被广泛运用于服务器体系、工业运用以及电信和网络设备中。在这个对带宽有激烈需求的物联网(IoT)年代，越来越多的此类体系需求高效供电，然后带来了对低功耗、高性价比处理计划的更多需求。
跟着设备变得越来越小，电源也有必要跟跟着变小。因而，当今规划人员的首要方针是：将单位体积功率(W/mm3)最大化。完成这一方针的一种方法是运用更高功能的电源开关。现在在这一范畴现已有许多重要的立异，而且令人兴奋的全新产品现在也已面市，这些产品具有高速开关切换才能，能够供给更高的体系功率和更小的器材尺度。
这些新式电源开关包含新一代更快的、根据硅的MOSFET，以及像镓氮化物(GaN)或碳化硅(SiC)基质这些更新的技能。
与硅技能的笔直结构比较，新技能的横向结构使其成为低电荷设备，因而能够在几纳秒(ns)内转化几百伏。这十分合适快速开关体系。
其它长处包含较高的电场强度和电子迁移率，这意味着关于给定的击穿电压和导通电阻，开关尺度能够小许多。别的，它们也具有更宽的带隙(Band Gap)，这意味着它们能够在更高的频率和更高的电流下安全地操作。
可是，关于电源来说，快速切换并非没有价值——它发生高噪声瞬变，这或许会导致调制丢掉，或因为闩锁效应(Latch-up)而永久损坏整个体系。为了处理这个问题，用于驱动这些新式电源开关的器材的噪声抗扰度有必要得到明显的改进。本文介绍了这些新技能以及规划人员怎么能够装备自己以应对未来电源规划方面的应战。
电源转化器体系
让咱们来细心看看广泛存在的开关形式电源(SMPS)，其间功率开关是最要害的部分。SMPS从沟通到直流(AC-DC)或许从直流到直流(DC-DC)转化其输入功率，而且在大多数状况下，它们也改动电压电平以习惯运用的需求。
图1.典型的AC-DC SMPS开关电源框图
该图显现了一个典型的AC-DC SMPS开关电源框图。首要，将沟通输入电压整流成直流电压。然后，在电源开关级运用栅极驱动器调制该直流电压以操控调制进程。操控器生成操控信号，栅极驱动器用其来调制电源开关。该开关电压经过一个带有预期匝数比(Turns RaTIo)的阻隔变压器来耦合，然后在输出时取得正确的电压电平。然后该电压由同步FET整流回直流。同步FET也需求栅极驱动器以操控其开关。电流和/或电压传感器监测输出，而且供给反应到操控器以微调调制计划，然后取得最佳功能。
电源转化器体系功能
正如前面说到的，规划人员面对的应战是完成单位体积中的最高功率。要做到这一点，最好的方法是进步体系功率。经过开关和/或传导而损耗的功率会发生热量，它们还有必要经过散热片安全地释放掉，但也因为散热片的尺度而添加了总体积。因而，创立一种更高效的规划有两大长处——添加有用输出功率和减小总体积。
为了完成这一方针，一起坚持安全性，可用的最佳手法之一便是进步开关速率和频率。这样做具有以下长处：
· 更快的开关时间减小了电源开关损耗和散热片的必要尺度;
· 更高的调制频率减小了输出电容和电感的尺度和本钱;
· 更高的调制频率减小了磁性材料(铁氧体等)的晦气影响;
· 更高的调制频率改进了瞬态呼应，避免电压过冲/下冲(Voltage Over/Under-shoot)。
在这些长处备受喜爱的一起，也有一项风险牵涉其间。如下图所示，更快的开关会导致更高的开关瞬变。在当时选用GaN电源开关规划的最先进的体系中，开关时间一般约为5ns，或许比传统体系快约10至20倍。例如，一根典型的600V高压线将导致一个120 kV/µs的瞬变(600V/5ns=120V/ns或许120kV/µs)。
图2.电源转化器中的开关瞬变
要害标准：共模瞬变抗扰度(CMTI)
这种高噪声瞬变会导致栅极驱动器失掉信号完整性，或许“毛刺”，然后导致体系调制失利;或许更糟的是，生成一个伪信号，其或许触发两个功率MOSFET一起接通，然后引发风险的电气短路状况。高瞬变也或许形成栅极驱动器进入一种永久的闩锁状况，这也会引发风险状况。
操控电源开关的栅极驱动器的规划有必要能够接受这些噪声瞬变，一起不会形成毛刺或闩锁。驱动器接受这些共模噪声瞬变的才能被界说为共模瞬变抗扰度(CMTI)，它由大多数厂商一般列在其产品数据手册中的一项标准来界说，并以kV/µs为单位来表明。在上面的示例中，栅极驱动器的CMTI标准应该已被清楚地确定为至少120kV/µs。
阻隔栅极驱动器的选择项
在阻隔电源转化器体系中，栅极驱动器需求被阻隔以坚持从首级侧到次级侧的阻隔完整性。栅极驱动器一般为功率FET的栅极供给高达4A的开关电流。关于给定的FET栅极电容，电流驱动才能越强，开关速率就越快。下图显现了一个阻隔栅极驱动器的简略原理图，其衔接至一个电压达400V的功率FET的栅极。
图3.阻隔栅极驱动器示例
当今商场上可供给许多阻隔栅极驱动器处理计划。
· 结阻隔驱动器(Junction-Isolated Driver)
结阻隔驱动器有一个起浮的高压侧驱动器去习惯高电压线路。关于这样的设备而言，最高额外电压约为600V。一般状况下，这些产品经济实惠，但具有较小的瞬变按捺力，很简单闩锁，然后形成永久损坏或安全损害。一般来说，用于支撑信号完整性的CMTI标准是在10kV/µs规模之内，而用于支撑闩锁抗扰的CMTI标准是在50 kV/µs规模之内。
· 光耦合驱动器
光耦合栅极驱动器都被真实地阻隔(相关于起浮的高压侧驱动器)，而且它们现已存在了适当长的一段时间。典型光耦合驱动器的CMTI标准在10-20 kV/µs之间，而最新产品则具有大为改进的功能，其CMTI值到达50 kV/µs(最小值)。
· 电容耦合和变压器耦合驱动器
除了断驱动器或光耦合驱动器之外，比如电容耦合或变压器耦合处理计划等技能，也使功能提升了一大截。
请紧记咱们的最终方针——完成或许的最快开关速率一起保证安全性——电容耦合和变压器耦合驱动器的最大优势在于，他们能够接受极高的噪声瞬变，而又不会丢掉数据并不会被闩锁。一些最新的变压器耦合栅极驱动器的CMTI标准为50 kV/µs(最小值)，而这依然不能满意咱们所考虑的最高功率体系。
最新的电容耦合处理计划也有相应的CMTI标准，支撑信号完整性的CMTI为200 kV/µs(最小值)，支撑闩锁抗扰的CMTI为400 kV/µs(最大值)。这是业界抢先的功能，且最合适当今的新式高频体系规划。
运用电容耦合阻隔驱动器还有一些其它的优势。它们十分快速(低推迟)，而且信道之间和器材之间的一致性优于其它处理计划。与一些盛行的光耦栅极驱动器比较，其传输时延(推迟)功能要好10倍之多，一起器材之间的一致性也要好10倍乃至更多。这种一致性为规划人员供给了另一项要害优势——体系的全体调制计划能够进行微调以完成最高功率和安全性，而无需去习惯标准变化。
这些驱动器还答应较低电压操作(比较5V的2.5V)，以及更宽的作业温度规模(-40℃至125℃，而光耦合驱动器仅为-40℃至105℃)。此类驱动器还供给其它先进的特性，例如输入噪声滤波器、异步关断才能，以及在同一个封装中的比如半桥或双通道独立驱动器等多种装备。
产品的安全性和长时间可靠性也是这些运用中的重视要点，而且考虑这些特点也是十分重要的。别的，新式驱动器在高电压条件下的额外作业寿命为60年，比其它任何可比的处理计划都更长。
下表总结了相互竞争的驱动器之间的要害特性比照。
表1.常用阻隔栅极驱动器技能的具体比照
总结
经过运用商场上能够供给的最快功率开关技能，电源规划人员希望能将其规划中的单位体积功率(W/mm3)完成最大化。最新的根据GaN和SiC的开关是当时商场可供给的最快速技能，可是要求栅极驱动器具有十分高的噪声抗扰度(CMTI)。
Silicon Labs最新的电容耦合栅极驱动器满意了GaN和SiC的噪声抗扰度要求，且余量捉襟见肘(要求为120kV/µs、可供给200kV/µs)。选用最新技能的新式Si827x阻隔栅极驱动器答应规划人员完成体系功率和单位体积功率(W/mm3)最大化。
图4.具有高噪声抗扰度的%&&&&&%耦合阻隔栅极驱动器
Silicon Labs公司阻隔产品司理Ashish Gokhale
Ashish Gokhale是Silicon Labs公司电源产品事业部担任阻隔产品的资深产品司理，作业地址坐落美国德克萨斯州奥斯汀市。Ashish于2010年参加Silicon Labs。在此之前，他在德州仪器(TI)担任阻隔产品事务开展司理，致力于开发阻隔技能和推行产品。他在TI曾担任半导体工艺和产品开发方面的多个技能和办理职位，包含深亚微米工艺节点的技能开发和工业接口产品的开发。他具有德克萨斯大学奥斯汀分校的电机工程硕士(MSEE)和工商办理硕士(MBA)学位，以及孟买VJTI大学的电机工程学士(BSEE)学位。他在阻隔技能范畴内还具有2项专利。
