SN6507：高性能推挽變壓器驅(qū)動器解析

在電子工程師的日常工作中，為隔離電源選擇合適的變壓器驅(qū)動器至關(guān)重要。TI 推出的 SN6507 就是一款備受關(guān)注的產(chǎn)品，它具有低排放、寬輸入電壓范圍等特點，能滿足多種應(yīng)用場景的需求。下面我將結(jié)合我的專業(yè)經(jīng)驗和附件資料，對 SN6507 進行詳細解析。

文件下載：sn6507.pdf

1. 特點亮點大揭秘

1.1 寬范圍適配

• 輸入電壓范圍廣：SN6507 的輸入電壓范圍為 3V 至 36V，且能承受高達 60V 的電壓。這一特性使得它能適配多種電源，為不同應(yīng)用場景提供了靈活的供電選擇。比如在一些太陽能逆變器中，電源電壓波動較大，SN6507 就可以穩(wěn)定工作。
• 開關(guān)頻率靈活：其開關(guān)頻率范圍為 100kHz 至 2MHz，還支持可編程開關(guān)頻率以及外部時鐘同步。這樣的設(shè)計能與小尺寸變壓器兼容，滿足不同設(shè)計對變壓器尺寸和性能的要求。

1.2 低噪低排放設(shè)計

• 對稱推挽拓撲：采用對稱推挽拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)合擴頻時鐘和引腳可配置的壓擺率控制技術(shù)，有效降低了噪聲和排放，符合對電磁兼容性要求較高的應(yīng)用場景，如醫(yī)療儀器等。

1.3 全面保護功能

• 過流保護（OCP）：通過對電流的監(jiān)測和控制，當電流超過設(shè)定閾值時，能及時采取措施保護電路，防止因過流損壞設(shè)備。
• 欠壓鎖定（UVLO）：可調(diào)節(jié)的欠壓鎖定功能，確保在輸入電壓過低時，設(shè)備停止工作，避免因低電壓導(dǎo)致的不穩(wěn)定運行。
• 過壓鎖定（OVLO）：當輸入電壓過高時，及時切斷電路，保護設(shè)備安全。
• 熱關(guān)斷（TSD）：在設(shè)備溫度過高時，自動關(guān)閉開關(guān)，防止因過熱損壞內(nèi)部元件，提高了設(shè)備的可靠性。

1.4 軟啟動特性

• 可編程軟啟動功能可以有效降低啟動時的浪涌電流，減少對電源和其他元件的沖擊，保護電路系統(tǒng)，延長設(shè)備使用壽命。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域多元化

SN6507 的應(yīng)用范圍非常廣泛，涵蓋了多個領(lǐng)域：

• 工業(yè)領(lǐng)域：在太陽能逆變器和保護繼電器中，能提供穩(wěn)定的隔離電源，保障設(shè)備的正常運行；在工廠自動化和樓宇自動化系統(tǒng)中，滿足對電源的高效、可靠需求。
• 醫(yī)療行業(yè)：醫(yī)療儀器對電源的安全性和穩(wěn)定性要求極高，SN6507 的低噪聲和全面保護功能使其成為理想選擇。
• 通信領(lǐng)域：為 CAN、RS - 485 等通信接口提供隔離電源，確保通信的穩(wěn)定和可靠。
• 驅(qū)動領(lǐng)域：在 IGBT 和 SiC 柵極驅(qū)動器電源中，能提供合適的驅(qū)動電壓，滿足驅(qū)動電路的要求。

3. 詳細工作原理剖析

3.1 整體架構(gòu)與工作流程

SN6507 是一款集成了兩個 n 溝道功率 MOSFET 的 36V、0.5A 推挽變壓器驅(qū)動器。它內(nèi)部有一個振蕩器，為柵極驅(qū)動電路提供信號。柵極驅(qū)動電路包含一個分頻器和一個先斷后通（BBM）邏輯，產(chǎn)生兩個互補的輸出信號，交替控制兩個輸出 NMOS 晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷。在這個過程中，BBM 邏輯會在兩個信號的高脈沖之間插入死區(qū)時間，避免變壓器初級繞組兩端短路。最終，輸出信號驅(qū)動隔離變壓器和整流器，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為隔離輸出電壓。

3.2 推挽轉(zhuǎn)換器原理

推挽轉(zhuǎn)換器需要帶中心抽頭的變壓器來傳輸功率。當 (Q{1}) 導(dǎo)通時，(V{IN}) 驅(qū)動電流通過初級繞組的下半部分到地，在初級繞組下端產(chǎn)生相對于中心抽頭的負電壓。同時，初級繞組上半部分的電壓使得上端相對于中心抽頭為正，以維持 (Q{2}) 導(dǎo)通時建立的電流流動。此時，兩個等于 (V{IN}) 的電壓源串聯(lián)，在初級繞組的開路端產(chǎn)生相對于地為 (2 ×V{IN}) 的電壓。同理，當 (Q{2}) 導(dǎo)通時，電壓極性反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)功率的交替?zhèn)鬏敗?/p>

3.3 核心磁化與自調(diào)節(jié)

在推挽轉(zhuǎn)換器中，磁通量和磁通量密度的變化與初級電壓和導(dǎo)通時間的乘積（V - t 乘積）成正比。如果兩個相位的 V - t 乘積不相同，會導(dǎo)致磁通量密度擺動不平衡，使變壓器逐漸接近飽和區(qū)域。幸運的是，由于 MOSFET 導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)，SN6507 的輸出 FET 對 V - t 不平衡具有自校正作用。當導(dǎo)通時間稍長時，通過 FET 的電流會使晶體管溫度升高，導(dǎo)致 (R{DS - on}) 增加，從而使 (V{P}) 逐漸降低，恢復(fù) V - t 平衡。

3.4 占空比控制

SN6507 通過 DC 引腳的電阻實現(xiàn)占空比控制功能，以提供一定程度的線路調(diào)節(jié)。通過使 DC 引腳電壓成為輸入的函數(shù)，占空比會隨 (V{IN}) 調(diào)整，從而保持 (V{OUT}) 恒定。與固定占空比的變壓器驅(qū)動器相比，這種動態(tài)占空比控制功能可以減少寬 (V_{IN}) 變化時 LDO 的功率損耗，甚至在一定輸入變化范圍內(nèi)可以消除后置調(diào)節(jié) LDO。同時，由于變壓器初級側(cè)的輸入范圍有限，還可以降低變壓器的成本和尺寸。

3.5 可編程開關(guān)頻率

SN6507 內(nèi)部有一個振蕩器來設(shè)置功率級的開關(guān)頻率。由于兩個功率開關(guān)相位相反，振蕩器頻率是每個功率開關(guān)實際開關(guān)頻率的兩倍。開關(guān)頻率范圍為 100kHz 至 2MHz，可以通過連接到地的電阻 ((R_{CLK})) 進行編程。選擇開關(guān)頻率時需要在功率效率和電容、電感元件的尺寸之間進行權(quán)衡。例如，較高的開關(guān)頻率可以減小變壓器和電感的尺寸，但會增加開關(guān)損耗，降低整體電源效率。

3.6 擴頻時鐘和壓擺率控制

• 擴頻時鐘（SSC）：在高電流開關(guān)電源中，輻射發(fā)射是一個重要問題。SN6507 采用擴頻時鐘技術(shù)，通過調(diào)制內(nèi)部時鐘，將發(fā)射能量分散到多個頻率區(qū)間，從而降低了數(shù)字時鐘信號的輻射發(fā)射，提高了整個電源模塊的發(fā)射性能。
• 壓擺率控制（SRC）：為了在效率和 EMI 之間進行優(yōu)化，SN6507 允許通過電阻 ((R_{SR})) 選擇功率 FET 開啟時的驅(qū)動強度。通過控制開關(guān)邊緣的壓擺率，可以在許多應(yīng)用中消除對屏蔽和共模扼流圈的需求。但需要注意的是，壓擺率控制可能會導(dǎo)致效率略有降低和峰值電流增加。

4. 設(shè)計與應(yīng)用指南

4.1 引腳配置

• SW1 和 SW2：分別是第一個和第二個功率 MOSFET 的開漏輸出，通常連接到中心抽頭變壓器的外部端子。由于這些引腳會流過較大電流，外部走線應(yīng)盡量短。
• GND：內(nèi)部控制電路和功率 MOSFET 的接地連接。引腳 2 和引腳 9 必須在 PCB 上短接，以優(yōu)化排放和效率。
• VCC：電源和模擬電路的主要電源引腳。在功率開關(guān)開啟和關(guān)斷時會產(chǎn)生短時間的高電流脈沖。
• EN/UVLO：使能輸入和欠壓鎖定編程引腳。根據(jù)引腳電壓和 (V_{CC}) 電壓的不同情況，控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉。
• DC：占空比控制引腳，通過連接到地的電阻來設(shè)置占空比。在同步模式下，占空比控制功能禁用。
• SR：壓擺率控制引腳，通過連接到地的電阻調(diào)節(jié) SW1 和 SW2 的壓擺率。
• CLK：用于將設(shè)備與外部時鐘同步（同步模式）或通過連接到地的電阻編程開關(guān)頻率。
• SS/ILIM：多功能軟啟動和電流限制輸入引腳，需要連接電容到地設(shè)置輸出軟啟動時間和輸入浪涌電流，連接電阻到地通過可編程電流限制保護設(shè)備。

4.2 典型應(yīng)用案例

文檔中給出了兩個典型應(yīng)用案例，一個是固定輸入帶壓擺率控制的情況，另一個是寬范圍輸入帶占空比控制的情況。

• 固定輸入案例：以輸入電壓為 24V 為例，主要關(guān)注壓擺率控制，以優(yōu)化 EMI 性能。在這種情況下，根據(jù)需要設(shè)置開關(guān)頻率、電流限制和軟啟動時間等參數(shù)。
• 寬范圍輸入案例：輸入電壓范圍為 18V - 30V，需要啟用占空比控制功能來補償輸入變化。此時，除了設(shè)置基本參數(shù)外，還需要計算 DC 引腳電阻和選擇合適的輸出電感，以確保在寬輸入范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓。

4.3 組件選擇要點

• LDO 選擇：SN6507 是一個開環(huán)變壓器驅(qū)動器，輸出電壓可能會隨負載電流變化。如果需要高精度、負載獨立的電源，建議在輸出側(cè)使用低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。選擇 LDO 時，要考慮其電流驅(qū)動能力、內(nèi)部壓降和最大輸入電壓等參數(shù)。
• 二極管選擇：整流二極管應(yīng)具有低正向電壓、低總電容、短恢復(fù)時間和大于負載電流的額定電流。肖特基二極管通常是 SN6507 推挽轉(zhuǎn)換器設(shè)計的首選。二極管的反向電壓額定值應(yīng)大于變壓器二次側(cè)電壓加上任何電壓振鈴，一般建議大于 1.5 倍變壓器匝數(shù)比乘以最大輸入電壓。
• 電容和電感選擇：電容通常使用多層陶瓷芯片（MLCC）電容，不同位置的電容有不同的作用和參數(shù)要求。例如，VCC 引腳需要旁路電容，輸入側(cè)和輸出側(cè)需要大容量電容來平滑電壓。電感僅在啟用占空比控制功能時需要，其最小值可以根據(jù)公式計算。

4.4 變壓器選擇

• V - t 乘積計算：為防止變壓器飽和，其 V - t 乘積必須大于設(shè)備施加的最大 V - t 乘積。對于固定輸入和寬范圍輸入帶占空比控制的情況，分別有不同的計算公式。
• 匝數(shù)比估算：變壓器的匝數(shù)比需要根據(jù)最小二次電壓、最小一次電壓和變壓器的典型效率來估算。在不同的輸入和應(yīng)用場景下，匝數(shù)比的計算方法也有所不同。

4.5 低排放設(shè)計建議

對于需要低輻射和傳導(dǎo)發(fā)射的隔離電源設(shè)計，可以采取以下措施：

• 使用低寄生參數(shù)的推挽隔離變壓器，如低漏電感和寄生電容的變壓器。
• 選用低排放的整流二極管，如 PMEG200G20ELRX 等。
• 將 SN6507 配置為最慢的壓擺率設(shè)置。
• 在隔離變壓器的二次側(cè)添加緩沖電路。

5. 總結(jié)與思考

SN6507 作為一款高性能的推挽變壓器驅(qū)動器，憑借其寬輸入電壓范圍、低噪聲和排放、全面的保護功能以及靈活的配置選項，在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在實際設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求，合理配置引腳參數(shù)、選擇合適的外部組件，以充分發(fā)揮 SN6507 的優(yōu)勢。同時，在低排放設(shè)計方面，需要在性能和成本之間進行權(quán)衡，選擇最適合的設(shè)計方案。大家在使用 SN6507 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。