深度掌握隔离驱动器瞬态共模噪音抑制及其特性

大家好 我叫张巍 是德州仪器系统工程师 今天我主要讲的话题是深度掌握 隔离驱动器瞬态共模噪音抑制及其特性 Mastering the Isolated Gate Driver Robustness A Deep Dive of CMTI 什么是 CMTI CMTI 就是 Common mode transient immunity 的简写 就是共模噪音抑制 它主要是处理两个地之间的电压瞬态的变化 对器件的一些影响 然后我们这个讲座的话 主要是讨论 CMTI 和它的一些测试的标准 实验室的验证 测量及其涉及的一些考量 我们这个讲座的话里面包含的产品有 UCC21520 它的系列 UCC20520 UCC21220 和 222 UCC53 系列 一些包括的设计参考有 TIDA 的01159 01160 TIDA-00951 然后我们主要针对的这个场合就是 UPS telecom servers 光伏 马达驱动 和电池的充电器 首先第一个要解决的问题就是 为什么需要隔离 然后我这边列了几点需要隔离的原因 然后我这边这个拓扑是输入 就是我们线电压 它可能可以是 110V 的线 也可以是 220V 的线 它的输电范围是 85V 到 265V 然后输出呢 我这个例子里面输出 12V server 或者是 48V 的 telecom 然后它是第一个需要做隔离的原因就是 要保证安全 安全的话主要是抗雷击 第二个理由就是 Breaking ground loop 就是把这两个地能够分开 使得在两个地之间没有共模电流的流动 或者共模噪音 第三个就是电力传输 电力传输的话 就是我们的 power transformer 功率变压器 400V 到 12V 如果说做 BUCK Converter 占空比就非常小 那做隔离就可以增加它的有效占空比 使得电路的效率增加 在我们的工频变压器 也可以比如说 10kV 的电压 到我们家庭用户电压 220V 第四个目的就是它可以做信号的隔离 作为信号的通讯当中信号的隔离 那我们普通说的隔离有几种办法呢 第一个就是光耦 光耦我们用的比较早 从七零年就有商用的产品出来 它是通过有信号的时候有电流通过 led 发光 通过光敏三极管接收信号来分析 0 到 1 的区别 第二个办法是高频变压器 它是把变压器做的非常小 通过高频通过原边的信号传输到副边 电容也是一样 它是高频的信号 从电容器的左边到右边 把信号传输到另一侧 一般这种高频的 0 和 1 处理办法就是 开和关的这种叫 ON-OFF-Keying modulation 高频变压器和高频电容器的这种隔离办法 都是在 2000 年之后才大规模商业应用 TI 用的隔离办法是高频电容隔离 它的隔离材料选的是二氧化硅 这个是随着温度变化和湿度变化 目前比较认可的最稳定的隔离材料 我们通过下面这张靠近下部的这张图 可以看得出来它这个隔离是通过 两个串联电容 左边一个右边一个 在每个电容 两个导体之间的材料就是二氧化硅 二氧化硅的抗压能力的话 是五百到八百伏每微米 这个已经超过了十倍以上 目前我们光耦里面所选取的隔离材料 所以它天然就可以做的更小密度更高 然后它的这个工作时间 1.5kV 的隔离电压可以工作四十年以上 这个也保证了加强隔离 目前业界标准的一些需求 然后它也有很好的这个瞬态保护和抗压能力 在瞬态的抗压可以超过 12.8kV 最重要的就是电容隔离 通过半导体内部电路的设计 可以实现非常高的 CMTI 就是共模抑制比 对比 TI 的这个电容隔离和 目前用的比较广泛的就是 我们从七零年代之后比较广泛的光耦隔离 它的一个比较最大的优势就是 针对这个光耦隔离的最大的优势就是 它在出现电路故障之后故障损害之后 因为它是一个双电容 它在一侧如果出现了电路故障 或者这个电容失去了隔离性能 它另一侧的电容还可以承受基本的隔离 就是说它可以承受 3kV 的隔离电压 针对一个加强隔离 5kV 的器件来讲 它仍然有另外一半的承受能力 它不会造成另外一部分电路的损坏 而光耦隔离就不一样 它只有一个隔离层 如果说一旦出现电路的故障损坏的话 它这个产生的热就会严重影响到整个器件 从原边到副边的隔离性能 为了对比更全面的这个 容隔 光隔和磁隔的其它特性 这一页里面它分别讲了这个 第一个就是鲁棒性能 Robustness 它的波动 工作电压 对容隔来讲都比其它两个 而且它的这个用了这个 Material Group 就是指的它的材料 Material Component 它是材料组的第一 这个直接会影响到爬电距离 用的材料越好爬电距离越短 你的整个的这个系统的 功率密度 它的使用的这变化整个都会越小 功率密度越高 然后这个 EMI Capacitor 有天然的 Shield 它就比较低 然后 CMTI 对容隔来讲 我们市场上第一个做到超过一百伏每纳秒 就是一百千伏每微秒的隔离驱动器 然后它的传输延时和 每一个部分到另外一个部分的一些区别 都是世界上最好的 然后同时它的一些静态功耗是一毫安 也相对我们的竞争对手要好一些 什么是 CMTI 它的具体的定义是什么呢 这页就给出了它的定义 左下角是指的一个隔离器件 从原边到副边 CMTI 定义的就是 在左边一个地和右边一个地之间 最大能够承受的瞬态电压变化 从低到高从或者是从高到低 它的单位就是每千伏每微秒或者是伏每纳秒 一般来讲 伏每纳秒的话 它的 Physical meaning 就是它的物理意义更明确一些 因为对于大部分电力电子来讲 它的电压变化范围基本上都是在纳秒级的 比如说从 0V 到 400V 如果是一百伏每纳秒的话 那它就是4纳秒 这个也是针对大部分隔离驱动器 它在实际测试过程当中 或者实际应用当中使用的电压 在实际应用当中如果是 400V 的母线 那就是 400V 如果是 800V 的母线 那就是 800V 在实际的这种实验室的测量当中 它的电压可以到 1200V 或者是 1500V CMTI 一般包括静态的 CMTI 就是 Static CMTI 和动态的 CMTI 叫 Dynamic CMTI 静态的 CMTI 就指的是 在一个隔离驱动器输入 它保持为高或者低 输出也保持为高或者低 在承受瞬态电压变化 从低到高或者是从高到低的时候 电路仍然能够承受你的瞬态电压变化 而它的输入和输出的逻辑仍然是正确的 不会受到影响或者损害 什么是动态的 CMTI 动态的 CMTI 就是指的在输入有变化 从低到高或者是从高到低 在这个图当中 我们给了一个脉冲宽度的 一定频率一定占空比周期的一个输入 然后它的输出根据这个隔离器的 隔离驱动器的定义输出就应该跟随输入 但是在很多时候 如果说隔离驱动器出现故障 它就不一定能够跟随输入 比如我们这边给的这个例子 第一个脉冲就是一个正常的 第二个脉冲就是说你有输入没有输出 那第三个就是你这个传输延迟已经超过了 这个数据手册里面的传输延迟给出的值 第四个这个例子就是你输入为高 输出因为你的瞬态电压的变化 使得它从高到低有一个逻辑的误传输 比如说输入为高 然后输出变低的一段时间 然后又回来 然后第五个例子就是说你输入为低 然后有共模瞬态电压变化 它输出又变成高 最后一个例子就是你输入为高 然后它这个在结束之后 它输出没有回到它应有的电平 那这个整个过程我们就叫 Dynamic CMTI 它指的具体就是这个瞬态的共模电压 发生在输入或者输出逻辑变化的 之前 当时或者之后 为什么 CMTI 是非常重要 我们为什么要讨论 CMTI 为什么它在电力电子电路当中的 起到了非常关键的作用 我们这页给了一个对比实验 主要是针对 600V 的 Silicon 和 600V 的 GaN 我们选取同样的电压 同样的动态电阻 然后 但是它们的瞬态的特性 比如说输出电容呀 还有它的反向恢复特性 在宽禁带产品当中就有非常大的减小 我们做了一个这个 dv/dt 就是关断十五安培 关断测试它的 dv/dt 的变化 然后我们的横坐标是 它的外部的驱动电阻从零欧姆的二十欧姆 然后我们可以看到这条红线 氮化镓的话它在 dv/dt 基本上是接近硅的三倍以上 就是它对 CMTI 的要求可能会超过 100V 以上 对于这种普通的硅的超级结 SuperJunction MOSFET 它的 dv/dt 基本上在 50V 以内 在十五安培关断的时候 我们可以看到 随着电力电子器件功率器件不断的发展 它对 dv/dt 瞬态电压的要求会越来越高 高的这个 CMTI 对电路的特性 在整个的驱动特性到整个的功率电路里面 有什么不良的影响呢 我们这边给了一个简单的示意 这个粉色的区域是 我们的原边的地和功率的地 然后我们的上管是通过电平转换 或者是隔离把信号传输到右边 如果在这个开关管的中点 就是 switch node 它有一个很高的 di/dt 或者是 dv/dt 这个 dv/dt 通过这个寄生的电容 就是隔离的电容也好 或者是隔离电源原副边的电容也好 它会把这个 dv/dt 通过这个电容传输到 这个低压侧 那低压侧通过这个瞬态的 Cdv/dt 产生的寄生电流 就会产生噪音 如果说我们在这个电路里面 给一个上管给一个单独的一个脉冲 我们可以看看它的特性 粉色的是输入 灰色的这个是输出 Gate 蓝色的是 switch node 绿色的是电感电流 我们可以看到以这个关断的一瞬间为例 它产生了很大的 dv/dt 这个 dv/dt 干扰到原边产生强烈的振荡 这个振荡如果说超过一定的时间 或者它的阈值 它就会在输出产生一个误开通 如果说你是同步整流 这个时候下管如果开通 那你就会产生上下管的共通产生短路和 整个功率电路部分的损坏 UCC21520是 TI 上市的第一款隔离驱动器 加强隔离 5.7kV 双通道 它的 CMTI 最低的参数是一百伏每纳秒 是市场上第一款最高一百伏每纳秒的 隔离驱动器 现在又陆陆续续有一些竞争对手迎头赶上 spike 100V/ns 最低的 CMTI 但是 UCC2152x 系列是 整个市场第一个一百伏每纳秒的隔离驱动器 我们看到它有一些死区的保护 欠压 而且它动态性能传输延时是二十纳秒 也是市场上表现非常好的传输延时特性 它可以用成一个高压和低压的半桥驱动 它也可以用输出的两路驱动 作为同步低压侧整流 也可以用来驱动两个高压侧 是一个设计来说非常方便 UCC21520 这个CMTI 在 整个测试当中是怎么测试的呢 这张图它是数据手册当中给的 那实际测试的它是怎么实现的呢 它是先是把三个 9V 的电池串联 通过 LDO 接到这个 VCC 这个是 VCC 的正常工作电压范围 3V 到 18V 然后三个探针两个测 OUTPUT A 和通道 B 然后另外一个测试两个地变化 主要是测试它的这个瞬态电压产生的波形 我们可以看到这个 Common Mode Surge Generator 瞬态电压发生器 是接在原边地和副边地之间 OUT A 和 OUT B 它的 VSSA 和 VSSB 的参考 短路连到一块儿 所以这三个探头它都是 Passive Probe 它可以把它的地都接到一块儿 通过这种 petite 就是小 LOOP 来测试它信号的真实和完整性 看看输出到底是有没有 跟随输入的逻辑的变化 瞬态电压发生器它有很多产生办法 一般的普通的都是从市场上 买到的这个 Surge Generator 一般都是 RC 的充电和放电 然后在这个办法当中 一般它们都是通过各种的 dampening 使得这个输出的波形 就以这个右侧这个例子为例 它基本上都非常有很少有的过冲 或者说下冲就是说它是一个从低到高 在给定的时间之内一个比较理想的波形 有些电压可能是 400V 以内 有些可能到 4kV 然后它这个电压范围也很难做一个稳定的 或者是简单的调整 而且这些不考虑寄生参数的波形 在实际的电力电子电路当中 它是不匹配的 就是在实际的电力电子电路当中 它是因为寄生参数会产生 overshoot 或者是过冲或者是 undershoot 下冲 这个波形显然就不和实际的电路相匹配 那我们怎么能够去模仿 这个实际电力电子电路当中的特性 来做一个 CMT 的发生器呢 为了能够模拟实际电路当中的工作范围 从 0V 到 400V 800V 或者 1200V 的母线电压 最好的办法就是说 我们把我们的隔离驱动器 放在这个实际的电路当中去测试 这个这一页的话 我们给出了它瞬态工作电压 从 0V 到 BUS 电压 就是一个我们叫 positive 的 或者是上升瞬态电压的发生器 它就是其实是一个 Boost 电路 然后当开关管开通的时候 它的 Switch node 就是开关点的电压 是连到地的 然后电感电流 通过输入电压去充电 当开关管关断之后积累到电感上的电流 给这个二极管的结电容和 MOS 管的 输出电容充电放电 稳定状态就是从零升到 BUS 电压 通过右边这个等式 简单的等式 我们可以看到在给定这个 on-time 的时间 就是开关管的开通的时间是固定的 你的电感是固定 那这个开关点 dv/dt 就跟随输入电压的变化而变化 在这个的过程当中我们认为母线电压 就是 common voltage 共模电压 BUS 电压是400V 或者是800V 或者是1200V 它是一个稳定的 通过调整输入电压来控制 CMTI 上升的斜率 这张图就给出了在实际测试过程当中 一个实际的波形 蓝色的是瞬态电压的变化 从 0V 到 400V 绿色的是电感电流 然后两个在上面这个信号 紫色的和黄色的是通道 A 和通道 B 我们可以看到在有这个瞬态电压变动的时候 它的通道 A 和通道 B 的输出波形 它是有噪音的 但这个噪音它不是这个 隔离驱动器的逻辑发生了变化 它是因为这个 CMTI 在非常高的时候 通过示波器可以 pick up 的一些 noise 我们讨论了这个隔离驱动器的 旁边周围的电路连接 再加上怎么产生隔离驱动器 怎么去连接它的探针 这一页的话把整个的系统框图放在一页里面 给大家一个概貌 所以它是原边有电池 这个电池是隔离的电池 那就是一个 float 悬浮的 然后 common transient 它这个产生器 switch node 是接倒原边的地 所以原边的地它在从 0 到 400V 在变动 然后副边就是 VSSA 和 VSSB 它都是接到示波器的地 所以我们可以用 1GHz 带宽的测量的探头 这种办法的好处就是 你可以通过高带宽的探头 清晰地看到输出的信号 和你的瞬态电压变化 地和 VSS 之间的电压变化情况 和这个就是镜像的另外一种办法 就是把这个 switch node 能够接到输出 输出在变动 然后再看通道 A 和通道 B 怎么变化 就是反过来你的 GND 确实是你的示波器的地 但是你输出是接在 switch node 输出在变动 这种办法的话 它的一个缺点就是 因为你输出的 VSSA 和 VSSB 在变动 就没办法用普通的 Passive Probe 去看它的信号 去看它的信号 如果说你用差分探头去看 那它的带宽就只有 200MHz 一些瞬态的变化是非常难看得到 当然你也可以用示波器 Passive Probe 两个电压去减 如果说输出电压只有5V 你的母线电压 400V 你用 400V 的电压就减出一个逻辑信号的差别 这个是在实际当中是非常难操作 所以我们这页给出的就是 系统的 CMTI 测试框图 包括隔离驱动器 包括它的 CMTI 的脉冲发生器 包括你的隔离的电池还有探头的连接 刚才讲了怎么产生从 0V 伏到母线电压 高压侧脉冲的产生 那你怎么从母线电压能够到零呢 就是我们的下降沿 下降沿产生的话我们是 通过这个 Buck-Boost 电路来实现 左侧就是我们教科书当中 看到的 Buck-Boost 电路 它的输出是一个 inverting output 然后我们把这个左边这个电路 通过重新的一个画法是同一个电路 但是不同的分布和不同的摆放 你就可以看到 它长得形状稍有些不一样 但是它实际上是一个电路 然后 VCM 的话就是我们的母线电压 它是400V 800V 或者1200V 然后 Vchg 就是我们以前讲过的 它来调节 CMTI 的电压 当开关管开通的时候 它的 VCMT pulse 是 Vchg 加上 VCM 它就是 如果说我们 Vchg 10V 的话 那就是加上 VCM 就是410V 然后给这个电感充电 当它关断的时候电感是要 通过充电放电 COSS 和 CD 使得 VCMT 这个电压从刚才讲的 比如说 410V 要变到 0V 这个就是怎么产生下降沿的 CMTI 脉冲发生器 这张图就给出了 下降沿 CMTI pulse generator 产生的波形 同样是蓝色的就是从母线电压一直降到零 它有下冲来模拟实际电力电子当中 下降沿的波形 然后我们也可以同样看到 通道 A 和通道 B 的输出它有震荡 但是它的逻辑是正确的 是因为高频高带宽探针 它在产生瞬态电路的时候拾取的一些噪音 这个我们是我们实现的一个 PCB 的示意图 左侧是底层右侧是顶层 那左侧的话我们可以看到 它有上升沿产生电路部分 有下降沿产生电路部分 然后在顶层的话 我们是有一个 Daughter Card 我们可以看到这个 Daughter card 它针对不同的隔离驱动器不同的封装 然后我们通过一个跳线来连到 Falling edge 下降沿或者是上升沿的电路 来看它的实际的电路的输出情况 所以到目前为止我们基本上讲了 我们什么是 CMTI 怎么测试 CMTI 怎么在实际的电路当中去模仿实际电路 它有过冲下冲情况下 看它的 CMTI 的一些特性 这个在设计这个硬件的时候 有一些考量就是选择 MOSFET 650V 1200V 或者1700V 或者是 SiC GaN 这个 Coss 输出电容要小 同时我们也推荐这个 SiC Diode 它这个 Junction Cap 非常小 就能够更容易实现高的 CMTI 的脉冲 dv/dt 第三点就是选取 Air core 就是空心电感 不带磁 它的 core 它的气隙 因为没有 core 没有气隙的电感 它在实体的工作当中 就不会有 OUTPUT 噪音 一般这种发生电路 都是在几百赫兹 它是远低于 20k 所以空心电感它不但有比较低的 OUTPUT 噪音 而且它的寄生电容 通过合理的连接可以把这个寄生电容做小 然后隔离驱动器的左边原边和右边副边 这两个之间的耦合要最小 我们之前讲到的这个电池在原边侧的电池 我们是推荐用电池而不是用隔离电源 因为隔离电源 它和另一侧也有这种电容耦合 为了减小这个电容耦合 我们推荐用这种悬空的悬浮的电池来支持 就是来支持原边电路的正常工作 还有一点我们这边要着重讲的 就是它的测试的位置 和你实际加在测试芯片两端的电压的一些区别 左侧我们给出的这张图就是 在实际的芯片原边和副边 来测量它的 CMTI 的特性 但是在温度测试的时候 它芯片是被固定在一个 Thermal Stream 就是整个的一个热的热风枪 那你的探头就没办法承受这个高温 没办法放到那个热风枪里面 那一个比较容易实现的办法 就是我通过我的示波器探头放在下方 然后我把我的热风枪放在上面 我们这样的话就可以做一些温度的测试 这个区别是什么呢 就是你的探头是放在下面芯片是在上面 那这个的话中间就有一英尺 大概两到三厘米的距离 但这两到三厘米的距离 就会增加你的测试电路的误差 这误差有多大呢 我们这张波形给出了 在一个测试条件下 一个是在 device under test 就是实际的测试芯片 粉色的 另外一个就是测试的是你在电路板子下面 靠近你的开关点测试的电压 我们可以看到这两张波形是不一样的 粉色的电压离你的实际产生点越远 你的 overshoot 过冲就越高 你的过冲越高你的 dv/dt 越大 在这个情况下的测试条件 就是你是175V 如果说你在板子下面测量 和201V 你在芯片的旁边测量 这个实验是在常温下面去做的 可以看到将近 25V 的这个差别 如果我们把这个差别从 100V 到 180V 或是 200V 这个范围之内 我们看到上升沿和下降沿它到底有多少误差呢 左边这张图就是上升沿的误差 它这个误差基本上是在 20V 到 30V 范围之内 下降沿的话是 30V 到 40V 范围 我们都通过线性拟合给出了这样的一个例子 所以就是说你实际读取的电压 和你在真正这个器件看到的电压是不一样 如果是你读取的是 比如说是 140V 那你就必须加上这个 offset 加上这个偏置 就是 20V 对上升沿 或者是说 30V 对下降沿 这个补偿是要加进去的 这样的话才能够反应芯片的 正常的这个 CMTI 的一个特性 这个误差当然随着你 CMTI 的降低 就会越来越小 因为我们现在讨论的 CMTI 都是超过一百伏每纳秒 是一个非常高的一个 CMTI 任何的这种寄生参数对它的影响 都是不可忽视的 所以我们这页就给出了 UCC21520 它在两个通道上升沿和下降沿 一个典型的测试曲线 那它的低温测试是 它的整个这个里面最低的点 它的高温下面它的 CMTI 是更好的 所以我们可以看得到它这个最低的 CMTI 也是超过一百五十伏每纳秒 这是我们的一个典型芯片测试值 实际的芯片实际的参数是一百伏每纳秒 这个就是考虑的这个 process voltage 和 temperature 整个变化过程当中 我们留住了一些 margin 裕量 所以一百伏每纳秒就是保质保量 在大的质量 电压变化范围温度变化范围之内 我们都保证一百伏每纳秒的 CMTI 的这个参数 TIDA 参考设计 01159 是给出了 UCC21520 和 SN6505 隔离驱动器再加辅助电源的一个设计单元 它可以用来驱动一个半桥 如果是全桥的话可以需要两个单元 然后整个的这个电路设计参数可以在 ti.com/search 搜索 TIDA-01159看到详细的信息 TIDA-01160 它主要是针对单通道驱动 UCC53 对于 IGBT 或者是 MOSFET 在马达驱动 charger 很多场合做的一个设计单元 详细的信息 可以参照 ti.com/TIDA-01160 然后这一页我们做个总结 我们在这个讲座当中阐述了隔离驱动器 什么是隔离 怎么实现隔离 隔离器驱动器的一个重要参数 CMTI common mode transient immunity 怎么去定义 怎么去测试 怎么能够模拟实际电路当中的 有过冲的 CMTI 对驱动器的影响 所以非常感谢大家 如果有什么问题可以发邮件询问