一种3.3-kW参考SMPS设计，在1U尺寸下100W/in³时具有98%的基准效率
作者：英飞凌科技公司产品营销总监Hubert Baierl                             
以紧凑的尺寸安全地实现越来越高的功率密度是当今用于工业和其他应用的开关模式电源（SMPS）设计的目标之一。为了实现这些目标，必须考虑设计的各个方面。这包括：图腾柱功率因数校正（PFC）级、高压半桥LLC级、全数字控制、集成平面磁性器件和先进的栅极驱动器IC。考虑到所有这些因素，可以实现具有98%效率、1U尺寸和100 W/in³功率密度的3.3kW开关模式电源。先进的栅极驱动器集成电路在设计中起着至关重要的作用。在介绍最近推出的栅极驱动器IC的具体属性之前，将审查确保安全的行业标准。
 

符合监管安全要求                        
工业应用经常涉及地区政府法规，以确保操作员和设备的安全。在北美，安全要求通常由保险商实验室（UL）、美国国家标准协会（ANSI）和加拿大标准协会（CSA）规定。在欧洲及其他地区，国际电工委员会（IEC）、德国标准化协会（DIN）和德国电气技术协会（VDE）致力于制定安全标准。
如表1所示，VDE 0884-11（和IEC 60747-17）要求是规定输入输出隔离的最严格要求，可以称为安全要求的黄金标准。VDE认证主要基于局部放电而非击穿测试，包括隔离电压（VISO）、瞬态过电压（VIOTM）和其他标准规定的最小浪涌隔离电压（VIOSM）或浪涌抗扰度。
VDE 0884-11通过要求时间相关介电击穿（TDDB）测试来确定额定峰值重复电压（VIORM），（首次）确定了20年的应用时间。电压安全系数1.2（电压要求高出20%）对于基本隔离为1.3，对于寿命安全系数为1.875的强化隔离认证。因此，在许多工业应用中，获得VDE或IEC标准认证是重要的，甚至是必不可少的。
 

表1：组件级隔离标准概述
 
在某些应用中，可能需要对爬电、间隙和污染程度提出额外的安全要求，如IEC 60664-1中的要求。满足各种安全要求的隔离技术包括光学、电容、磁以及电流隔离。图1显示了感应电流隔离。
 

                                                                                       
图1：输入侧的电流隔离（左）和磁（基于变压器的）输入到输出隔离（右）允许栅极驱动器IC满足VDE 0884-11和其他隔离标准
 
提供更高的安全保护
除了满足安全要求外，最新的电源设计还需要增加保护，以确保较长的系统寿命。欠压锁定（UVLO）输出级启动时间、UVLO关闭时间、输出箝位、其他保护电路和封装可以将单栅极驱动设计与竞争产品区分开来。基于磁耦合无芯变压器（CT）技术，通过电流隔离提供信号传输，EiceDRIVER™ 隔离栅极驱动器经认证符合VDE 0884-11，并提供这些功能和更多功能。最近推出的2EDR8259双通道电流隔离栅极驱动器将用于解释这些改进。
 
优化UVLO关闭时间                         
驱动高侧（HS）开关的栅极存在不同的选择，然而，自举方法是最常见、最具成本效益的解决方案。在这些设计中，短的启动时间提供了快速的正常系统操作，在自举电源的斜坡上升期间，在断电或重新启动之后提供了短的LLC启动，并且由于不对称的高侧与低侧脉宽调制（PWM）操作而没有主电源变压器饱和。
当在自举高侧配置中使用具有2μs典型UVLO启动时间的双通道电流隔离栅极驱动器IC时，只有四个高侧脉冲被跳过，直到半桥开始操作（前提是高侧的VDD增加被认为是典型的）。UVLO启动时间为10μs或更高的类似栅极驱动器IC很容易导致9个或更多高侧脉冲的跳过。这大大延迟了半桥操作的开始。
与大约10μs的竞争设计相比，最近引入的小于2μs的双通道隔离栅极驱动器IC的实际测量结果如图2所示。
 

图2：先进的双通道隔离栅极驱动器IC的UVLO启动时间比较
 
Optimizing UVLO Shutdown Time                                   
UVLO触发输出级停机的主要目标是足够快，以保护开关器件免受热过载的影响。然而，如果仅出现低于UVLO_off阈值的间歇性下降，则不应关闭开关级。实际经验表明，500 ns的关闭延迟足以避免VDD上的噪声或振铃可能引发不希望的输出级关闭。
 
输出箝位   
输出箝位确保输出级安全关闭，同时栅极驱动器电源仍低于UVLOon阈值。在半桥的自举启动过程中，适当的夹紧降低了击穿的风险。当电源高于UVLOon阈值时，期望栅极驱动器IC将控制输入传播到输出级。由于输出不再被箝位，因此它跟随输入信号。
在半桥的自举启动期间。当电源高于UVLO_on阈值时，期望栅极驱动器IC将控制输入传播到输出级。由于输出不再被箝位，因此它跟随输入信号。
在自举半桥级中，当低侧开关以对升压电容器充电时，由高侧开关的C_GD和C_GS组成的电容分压器导致V_GS增加超过其导通阈值。适当的栅极驱动器IC输出箝位通过短路（“箝位”）输出来避免V_GS超过阈值。如果输出箝位没有及时发生，则高侧开关与低侧开关同时接通，从而产生半桥击穿。
图3显示了一个有源输出箝位电路，该电路在低至1.2V的V_DD电平下变得有效。相反，如果栅极驱动器IC具有缓慢的内部RC箝位电路时，在半桥启动期间会发生一定电平的击穿，直到V_DD最终高到足以激活输出箝位。这种击穿是不可取的，因为它会导致开关器件的电过应力（EOS）。
 

图3：有源输出箝位比具有无源内部RC箝位的输出级动作更快，以避免/最小化开关器件上的EOS
 
击穿保护
击穿保护可确保半桥的死区时间，使开关的尾电流在开关断开后和半桥另一侧接通前衰减。除了通常不短于300 ns的软件控制死区时间外，最新的双通道隔离栅极驱动器IC通过外部电阻器提供可配置的死区时间设置。栅极驱动器IC具有从短至10ns到长至1000ns的可选死区时间，适用于包括GaN功率开关在内的一系列功率开关技术。该死区时间的精度可以高达±15%。这种方法通常比基于实际控制IC的死区控制更精确。
 
新的封装选项                              
150密耳和300密耳DSO封装中的双通道电流隔离栅极驱动器IC有14引脚配置。14引脚配置支持额外的印刷电路板（PCB）顶级布线选项，而不是在两个输出通道之间使用两个“无连接”引脚的16引脚封装（见图4。）由于通道间爬电距离增加到3.4 mm，14引脚版本允许通道间功能隔离电压高达1025 V_RMS（参考IEC 60664-1，污染等级Class I）。
 

图4：14引脚版本的16引脚DSO封装为隔离栅极驱动器IC提供了几个好处
 
具有6引脚封装的双通道低侧栅极驱动器IC，如带引线SOT-23（图5右侧）或8引脚封装（图5左侧），可以提供灵活性和成本效益高的替代方案。通过正确的选择，可以最大限度地减少PCB面积消耗，并实现PCB布局的灵活性。

                                                                                                 
图5：双通道低侧栅极驱动器IC的示例，用于设计小尺寸
 
需要更高的隔离和改进的保护
凭借先进的安全能力，系统设计人员可以专注于其他关键性能和保护电路，以满足最严格的VDE 0884-11和IEC 60747-17隔离标准。最新的隔离栅极驱动器与现有的双通道低侧栅极驱动器集成电路相结合，满足了这些设计要求。属性的组合避免了过早的器件故障，并为系统提供了更高的耐用性，从而延长了使用寿命。除了用于存储和协调机器和工厂流程运行的服务器外，机床产品、机器人和机器人还可以受益于双通道隔离栅极驱动器IC的安全性和保护性提高。
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