引言

　　隔離電源系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于服務(wù)器系統(tǒng)、工業(yè)應(yīng)用以及電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。在這個(gè)對(duì)帶寬有強(qiáng)烈需求的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代，越來(lái)越多的此類系統(tǒng)需要高效供電，從而帶來(lái)了對(duì)低功耗、高性價(jià)比解決方案的更多需求。

　　隨著設(shè)備變得越來(lái)越小，電源也必須跟隨著變小。因此，當(dāng)今設(shè)計(jì)人員的首要目標(biāo)是：將單位體積功率(W/mm3)最大化。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是使用更高性能的電源開(kāi)關(guān)。目前在這一領(lǐng)域已經(jīng)有很多重要的創(chuàng)新，并且令人興奮的全新產(chǎn)品現(xiàn)在也已面市，這些產(chǎn)品擁有高速開(kāi)關(guān)切換能力，可以提供更高的系統(tǒng)效率和更小的器件尺寸。

　　這些新型電源開(kāi)關(guān)包括新一代更快的、基于硅的MOSFET，以及像鎵氮化物(GaN)或碳化硅(SiC)基質(zhì)這些更新的技術(shù)。

　　與硅技術(shù)的垂直結(jié)構(gòu)相比，新技術(shù)的橫向結(jié)構(gòu)使其成為低電荷設(shè)備，因此能夠在幾納秒(ns)內(nèi)轉(zhuǎn)換幾百伏。這非常適合快速開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。

　　其它優(yōu)點(diǎn)包括較高的電場(chǎng)強(qiáng)度和電子遷移率，這意味著對(duì)于給定的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻，開(kāi)關(guān)尺寸可以小很多。另外，它們也具有更寬的帶隙(Band Gap)，這意味著它們可以在更高的頻率和更高的電流下安全地操作。

　　然而，對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，快速切換并非沒(méi)有代價(jià)——它產(chǎn)生高噪聲瞬變，這可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)制丟失，或由于閂鎖效應(yīng)(Latch-up)而永久損壞整個(gè)系統(tǒng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，用于驅(qū)動(dòng)這些新型電源開(kāi)關(guān)的器件的噪聲抗擾度必須得到顯著的改善。本文介紹了這些新技術(shù)以及設(shè)計(jì)人員如何能夠武裝自己以應(yīng)對(duì)未來(lái)電源設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。

　　電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)

　　讓我們來(lái)仔細(xì)看看廣泛存在的開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)，其中功率開(kāi)關(guān)是最關(guān)鍵的部分。SMPS從交流到直流(AC-DC)或者從直流到直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換其輸入功率，并且在大多數(shù)情況下，它們也改變電壓電平以適應(yīng)應(yīng)用的需要。

　　圖1.典型的AC-DC SMPS開(kāi)關(guān)電源框圖

　　該圖顯示了一個(gè)典型的AC-DC SMPS開(kāi)關(guān)電源框圖。首先，將交流輸入電壓整流成直流電壓。然后，在電源開(kāi)關(guān)級(jí)使用柵極驅(qū)動(dòng)器調(diào)制該直流電壓以控制調(diào)制過(guò)程。控制器生成控制信號(hào)，柵極驅(qū)動(dòng)器用其來(lái)調(diào)制電源開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)電壓通過(guò)一個(gè)帶有預(yù)期匝數(shù)比(Turns Ratio)的隔離變壓器來(lái)耦合，從而在輸出時(shí)獲得正確的電壓電平。然后該電壓由同步FET整流回直流。同步FET也需要柵極驅(qū)動(dòng)器以控制其開(kāi)關(guān)。電流和/或電壓傳感器監(jiān)測(cè)輸出，并且提供反饋到控制器以微調(diào)調(diào)制方案，從而獲得最佳性能。

　　電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)性能

　　正如前面提到的，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)單位體積中的最高功率。要做到這一點(diǎn)，最好的辦法是提高系統(tǒng)效率。通過(guò)開(kāi)關(guān)和/或傳導(dǎo)而損耗的功率會(huì)產(chǎn)生熱量，它們還必須通過(guò)散熱片安全地釋放掉，但也由于散熱片的尺寸而增加了總體積。因此，創(chuàng)建一種更高效的設(shè)計(jì)有兩大好處——增加有用輸出功率和減小總體積。

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，同時(shí)保持安全性，可用的最佳手段之一就是提高開(kāi)關(guān)速率和頻率。這樣做具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　· 更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間減小了電源開(kāi)關(guān)損耗和散熱片的必要尺寸;

　　· 更高的調(diào)制頻率減小了輸出電容和電感的尺寸和成本;

　　· 更高的調(diào)制頻率減小了磁性材料(鐵氧體等)的不利影響;

　　· 更高的調(diào)制頻率改善了瞬態(tài)響應(yīng)，防止電壓過(guò)沖/下沖(Voltage Over/Under-shoot)。

　　在這些優(yōu)點(diǎn)備受青睞的同時(shí)，也有一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)牽涉其中。如下圖所示，更快的開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致更高的開(kāi)關(guān)瞬變。在當(dāng)前采用GaN電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的最先進(jìn)的系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)時(shí)間通常約為5ns，或者比傳統(tǒng)系統(tǒng)快約10至20倍。例如，一根典型的600V高壓線將導(dǎo)致一個(gè)120 kV/μs的瞬變(600V/5ns=120V/ns或者120kV/μs)。

　　圖2.電源轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)瞬變