简介
跟着互联网和通讯基础设施的蓬勃发展，数字操控技能在电信、网络和核算机的电源体系中越来越受欢迎，因为这类技能具有灵敏性、器材数量削减、先进的操控算法、体系通讯、对外部噪声和参数改变不太灵敏等极具吸引力的优势。数字电源广泛用于高端服务器、存储、电信砖式模块等常常会有阻隔需求的运用。
阻隔在数字电源中的应战是在紧凑的面积下怎么快速精确地传输数字信号或模仿信号经过阻隔鸿沟。但是，传统光耦的处理方案有带宽比较低，电流传输比(CTR)会随温度和时刻产生大幅改变等问题。而变压器的处理方案有体积巨大、磁饱满等问题。这些问题约束了光耦合器或变压器在某些高可靠性运用、紧凑型运用以及长寿命运用中的运用。本文评论运用ADI公司iCoupler®产品的数字阻隔技能，来处理在数字电源规划中遇到的这些问题。
需求阻隔的原因
在规划电源时，恪守安全规范关于维护操作人员及其他人员免受电击和有害能量的损害至关重要。阻隔是满意安全规范要求的重要办法。许多全球组织(比方欧洲的VDE和IEC以及美国的UL)规则了不同输入和输出电压(稳态和瞬态)水平的阻隔要求。例如，在UL60950中介绍了五类绝缘：
} 功用绝缘：仅在设备正常运行时需求的绝缘。
} 根本绝缘：供给根本电击防护的绝缘。
} 弥补绝缘：根本绝缘外的独立绝缘，用于在根本绝缘产生毛病的情况下下降电击危险。
} 两层绝缘：包含根本绝缘和弥补绝缘的一种绝缘。
} 加强绝缘：一种单一绝缘体系，供给必定程度的电击防护，在本规范规则的条件下相当于两层绝缘。
原边操控与副边操控比照
依据操控器的方位，阻隔电源操控方法分为原边操控和副边操控两种。表1比照了原边操控和副边操控的功用。在下表中，UVP和OVP别离代表欠压维护和过压维护。
副边操控
ADP1051是ADI公司先进的数字电源操控器，具有PMBus™接口，面向中心总线转换器等高功率密度和高效率运用。2ADP1051依据灵敏的状态机架构，供给很多颇具吸引力的特性，比方反向电流维护、预偏置发动、恒流形式、可调输出电压压摆率、自适应死区时刻操控以及伏秒平衡，与模仿处理方案比较，削减了很多的外部元件。一般来说，ADP1051更常用于副边操控，因为它与体系通讯十分便利。因而，同步整流器的PWM信号以及VOUT检测等信号无需跨过阻隔鸿沟与体系进行通讯。不过在这种情况下，需求辅佐电源在发动阶段从原边向副边操控器ADP1051供给初始电力。此外，来自ADP1051的PWM信号需求跨过阻隔鸿沟。下文评论了三种处理方案，即栅极驱动变压器、数字阻隔器和阻隔式栅极驱动器。
栅极驱动变压器
图1显现了选用栅极驱动变压器处理方案的数字电源的功用框图。在此处理方案中，副边操控器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用是将驱动信号从副边传输到原边并驱动原边MOSFET。辅佐阻隔电源在发动阶段为ADP1051供电。
图1.选用ADP3654处理方案驱动栅极驱动变压器。
栅极驱动变压器处理方案的优势包含延时较少，本钱更低。但需求更细心的栅极驱动变压器规划，因为变压器每过一段时刻就需求复位，不然将会饱满。关于半桥拓扑的栅极驱动变压器规划，常常选用双端变压器，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输出经过隔直电容CDC连接到栅极驱动变压器。考虑到一切作业条件下所需的最大伏秒数，为半桥挑选最大50%的占空比。挑选磁芯后，能够运用下方的公式1核算初级绕组NP的数量：
其间，VDD是初级绕组两头的电压，fs是开关频率，ΔB是半个开关周期内的峰峰磁通密度改变，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敞开，Q2封闭。当VOB驱动为高电平且VOA驱动为低电平时，Q2敞开，Q1封闭。需求留意的是，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。
图2.双端栅极驱动变压器。
数字阻隔器
图3显现了施行数字阻隔器处理方案的数字电源的功用框图。双通道数字阻隔器ADuM3210用作数字阻隔，可将来自副边操控器ADP1051的PWM信号传输到原边半桥驱动器。
图3.数字阻隔器处理方案。
比较杂乱的栅极驱动变压器规划，数字阻隔器处理方案尺度更小，可靠性更高，运用更简略。此处理方案没有占空比约束，也没有饱满问题。因为节省了50%以上的PCB空间，因而可完成高功率密度规划。
阻隔式栅极驱动器
为了进一步简化规划，集成了电气阻隔和强壮栅极驱动功用的4A阻隔式半桥栅极驱动器ADuM7223供给独立的阻隔式高端和低端输出。图4显现了阻隔式栅极驱动器处理方案。
图4.阻隔式栅极驱动器处理方案。
在图5中，将ADuM7223阻隔式栅极驱动器装备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敞开的每个周期内，VDD会经过自举二极管为自举%&&&&&%充电。为最大极限下降功耗，需求运用正向压下降且反向恢复时刻短的超快二极管。
图5.阻隔式栅极驱动器装备为自举栅极驱动器。
原边操控
因为原边操控无需辅佐阻隔电源，而且具有简略的操控架构，因而在某些低本钱运用中，原边操控更为遍及。依据阻隔操控途径，下文论说了三种处理方案：线性光耦合器、一般光耦合器(带规范放大器)以及阻隔式放大器。
线性光耦合器
阻隔数字电源中的输出电压一般需求快速精确的阻隔反应。光耦合器常常用于将来自副边的模仿信号发送到原边，但其CTR会跟着温度而产生极大改变，且功能也会跟着时刻推移而下降。图6显现了TCET1100的归一化CTR与环境温度特性。在该图中，CTR的改变率在–25°C到+75°C的规模内会超越30%。
图6.TECT1100的归一化CTR与温度。
如果在反应环路中直接运用一般光耦合器来传输输出电压时，很难确保输出电压精度。而一般光耦合器与差错放大器合作运用，一般是传输补偿信号而不是输出电压信号。而ADP1051在芯片内部已完成了数字环路补偿，因而不再需求补偿信号。一种处理方案是运用线性光耦合器来线性传输输出电压，如图7所示。但线性光耦合器本钱昂扬，这意味着用户有必要付出额定费用。
图7.线性光耦合器处理方案。
一般光耦合器(带规范放大器)
别的可运用一个一般光耦合器和一个规范放大器来完成原边操控电路，如图8所示。在本例中，可完成高输出电压精度，不会因为光耦合器的CTR温度改变而产生大幅改变。丈量结果表明，输出电压改变规模为±1%，当CTR规模为100%-200%。
图8.光耦合器(带放大器)处理方案。
CTR公式如下
当CTR随温度而改变时，放大器的输出将补偿此改变以坚持输出电压的高精度。需求留意的是，放大器的安稳作业点和摆幅规模应规划得足以满意CTR随温度而改变的要求，以防放大器的输出饱满。
阻隔式放大器
第三种处理方案是阻隔式放大器，比方图9所示的ADuM3190。ADuM3190是一种阻隔式放大器，与光耦合器比较，具有高带宽和高精度的特性，因而十分合适具有原边操控器的线性反应电源。与常用的光耦合器和分流稳压器处理方案比较，该处理方案在瞬态呼应、功率密度和安稳性方面均有所进步。只需规划妥当，ADuM3190可完成±1%的输出电压精度。
图9.阻隔式放大器处理方案。
结语
现在因为电信、网络及核算机电力体系的安全性、高可靠性、高功率密度以及智能办理的要求日益进步，阻隔技能将发挥越来越重要的效果。与传统的光耦合器和变压器处理方案比较，ADI公司的iCoupler ADuM3210、ADuM7223和ADuM3190结合数字电源操控器ADP1051可供给高可靠性、高带宽和高功率密度的处理方案。
