現(xiàn)在，我們來看看把數(shù)字隔離器用在隔離式半橋柵極驅(qū)動器中的情況。圖4中的數(shù)字隔離器使用標準CMOS集成電路工藝，以金屬層形成變壓器線圈，并以聚酰亞胺絕緣材料來分離線圈。這種組合可以實現(xiàn)5 kV rms以上（1分鐘額定值）的隔離能力，可用于魯棒型隔離電源和逆變器應(yīng)用。

圖4. 采用變壓器隔離的數(shù)字隔離器

如圖5所示，數(shù)字隔離器消除了光耦合器中使用的LED以及與之相關(guān)的老化問題，而且功耗更低、可靠性更高。輸入與輸出以及輸出與輸出之間提供電流隔離（虛線），以消除高端-低端的交互作用。輸出驅(qū)動器通過低輸出阻抗降低導(dǎo)通損耗，同時通過快速開關(guān)時間降低開關(guān)損耗。

圖5. 采用數(shù)字隔離的4 A柵極驅(qū)動器

與光耦合器設(shè)計不同，高端和低端數(shù)字隔離器以單個集成電路為基礎(chǔ)制造而成，其輸出天生匹配，具有更高的效率。請注意，圖1所示高壓柵極驅(qū)動器集成電路會增加電平轉(zhuǎn)換電路中的傳播延遲，因而不能像數(shù)字隔離器一樣實現(xiàn)通道間時序特性的匹配。另外，在單個IC封裝中同時集成柵極驅(qū)動器和隔離機制可以最大限度地減小解決方案的尺寸。

共模瞬變抗擾度

在針對高壓電源的許多半橋柵極驅(qū)動器應(yīng)用中，開關(guān)元件中可能發(fā)生極快的瞬變。在這些應(yīng)用中，在隔離柵上發(fā)生容性耦合的、快速變化的瞬態(tài)電壓（高dV/dt）可能在隔離柵上造成邏輯瞬變錯誤。在隔離式半橋驅(qū)動器應(yīng)用中，這種情況可能在交叉?zhèn)鲗?dǎo)過程中同時打開兩個開關(guān)，因而可能損壞開關(guān)。隔離柵上的任何寄生電容都可能成為共模瞬變的耦合路徑。

光耦合器需要以敏感度極高的接收器來檢測隔離柵上傳遞的少量光，而且較大的共模瞬變可能擾亂其輸出。可以在LED與接收器之間添加一個屏蔽，從而降低光耦合器對共模瞬變電壓的敏感度，這種技術(shù)被運用在多數(shù)光耦合器柵極驅(qū)動器中。該屏蔽可以提高共模瞬變抗擾度（CMTI），從標準光耦合器不到10 kV/μs的額定值提升至光耦合器柵極驅(qū)動器的25 kV/μs。雖然該額定值對許多柵極驅(qū)動器應(yīng)用都是合適的，但是對于瞬變電壓較大的電源以及太陽能逆變器應(yīng)用來說，可能需要CMTI達到50 kV/μs或以上。

數(shù)字隔離器可以向其接收器提供更高的信號電平，并能承受極高的共模瞬變而不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。作為四端差分器件，基于變壓器的隔離器可向信號提供低差分阻抗，向噪聲提供高共模阻抗，從而實現(xiàn)出色的CMTI性能。另一方面，利用容性耦合形成不斷變化的電場并在隔離柵上傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)字隔離器是雙端器件，因而噪聲和信號共用一個傳輸路徑。對于雙端器件，信號頻率需要遠高于預(yù)期的噪聲頻率，以便隔離柵電容對信號提供低阻抗，而對噪聲提供高阻抗。當共模噪聲電平大到足以淹沒信號時，則可能擾亂隔離器輸出端的數(shù)據(jù)。圖6所示為基于電容的隔離器中發(fā)生數(shù)據(jù)擾亂示例，其中，輸出信號（通道4，綠線）在僅10 kV/μs的共模瞬變過程中下降了6 ns，造成毛刺。

圖6. 基于電容的數(shù)字隔離器（CMTI 《10 kV/μs）

圖中數(shù)據(jù)是在基于電容的隔離器瞬變的擾亂閾值下采集的；如果瞬變要大得多，結(jié)果可能使擾亂持續(xù)更長時間，從而使MOSFET開關(guān)變得不穩(wěn)定。相比之下，基于變壓器的數(shù)字隔離器能夠承受超過100 kV/μs的共模瞬變，而輸出端不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擾亂問題（圖7）。

圖7. 基于變壓器的數(shù)字隔離器（CMTI為100 kV/μs，ADuM140x）

隔離式半橋驅(qū)動器提供4 A峰值輸出電流

ADuM3223/ADuM4223 隔離式半橋柵極驅(qū)動器（如圖8所示）采用iCoupler? 技術(shù)以獨立的隔離式輸出來驅(qū)動電機控制、開關(guān)電源和工業(yè)逆變器中所使用的高端和低端IGBT及MOSFET器件的柵極。這些隔離組件集高速CMOS與單芯片變壓器技術(shù)于一體，可提供精密時序、高可靠性以及優(yōu)于光耦合器或脈沖變壓器的整體性能。相對于輸入，各路輸出的持續(xù)工作電壓最高可達565 VPEAK ，因而支持低端切換至負電壓。高端與低端之間的差分電壓最高可達700 VPEAK。輸出開關(guān)頻率最高可達1 MHz，可提供4 A的峰值電流。CMOS兼容型輸入可提供50 kV/μs的共模瞬變抗擾度。驅(qū)動器采用3.0 V至5.5 V的輸入電源，可兼容低電壓系統(tǒng)。其額定工作溫度范圍為–40°C至+125°C，采用16引腳SOIC封裝。ADuM3223的千片訂量報價為1.70美元/片，采用窄體設(shè)計，可提供3 kV rms的隔離能力。ADuM4223的千片訂量報價為2.03美元/片，采用寬體設(shè)計，可提供5 kV rms的隔離能力。

圖8. ADuM3223/ADuM4223框圖

總結(jié)

對于隔離式半橋柵極驅(qū)動器應(yīng)用，事實表明，相對于基于光耦合器和脈沖變壓器的設(shè)計，集成變壓器的數(shù)字隔離器具有眾多優(yōu)勢。通過集成大幅降低了尺寸和設(shè)計復(fù)雜性，從而極大地提高了時序特性。輸出驅(qū)動器采用的電流隔離技術(shù)則改進了魯棒性，變壓器耦合技術(shù)則顯著提高了CMTI。