1.11 Isolated Power for Digital Isolators

[音乐播放] 大家好，欢迎来到TI 高精度实验室。 本高精度实验室视频将介绍 数字隔离器的电源解决方案。 在前面的视频中，我们介绍了 数字隔离器以及是否需要使用 单独的隔离式电源。 如果不使用隔离式电源，就无法获得 隔离优势，隔离层也会 短路。 需要精心设计隔离式电源子系统，才能 优化整体系统性能。 功率传输效率低下会导致温度上升， 当数据由于发射问题而损坏时， 以及选择了错误的旁路电容器或变压器时， 会对输出信号产生不良影响。 可以通过很多方法来设计隔离式电源。 但在本视频中，我们将说明一些 专门供隔离式电源设计使用的 最常见分立式和集成式选项， 它们能够满足您的数字隔离器需求。 本视频将回答以下问题。 数字隔离器为何需要隔离式电源？ 设计隔离式电源时最常用的方法有哪些？ 如何设计分立式隔离电源解决方案？ 如何设计集成式隔离电源 解决方案？ 数字隔离器需要在器件的初级侧 和次级侧使用单独的电源， 因为每一侧都必须为两个内部 [? 裸片 ?] 供电， 而且它们之间不能存在任何物理连接。 这一要求与器件是支持 基本隔离还是增强型隔离无关， 并适用于数字隔离器以及具有集成接口的 隔离式器件。 数字隔离器的输入和输出信号 电压取决于电源电压 VCC 1 和 VCC 2。 与 VCC 之间的确切关系因器件 而异。 为了确保针对接口组件的 逻辑电平优化数字隔离器的 输出，建议使用与隔离式电源 电压不相上下的电源电压。 当使用由 5 伏电压供电并 连接到 MCU 的数字隔离器时， MCU 信号也必须在5 伏逻辑电平条件下 工作。 可以通过多种选项为数字隔离器 供电。 在本视频中，我们将关注两种分别用于 分立式解决方案和集成式解决方案的常见场景。 在分立式隔离电源的设计中， 在某些情况下，系统内可能已经 存在两个独立的电源轨，它们可以 用于初级侧和次级侧电源，但前提是 它们符合隔离器逻辑的一些最低要求， 包括电源电压电平 要匹配输入和输出信号电平， 并且每个单独接地。 如前所述，尽管隔离器每一侧的 电源电压可能并不相同，例如 初级侧为 2.25 伏，而次级侧为 5 伏， 但信号电平必须接近于 电源电压，因为 隔离器的附加输出直接与电源 电压相关。 使用可用的电源轨的另一个 挑战是，噪声和电源调节会成为问题。 当电压截然不同或者次级侧没有 任何可用的电源时， 其中一种最常见的多芯片或分立式 解决方案是利用变压器和变压器 驱动器从初级侧产生 次级侧电源。 设计此解决方案时，不一定要使用 LDO。 另一种解决方案是集成式 IC 解决方案， 其中包含数字信号隔离器、集成式 变压器以及一个如此处所示的片上 LDO。 在回顾这种隔离式电源解决方案的 设计指南之前，让我们花一点时间 讨论一些变压器驱动器基础知识。 什么是变压器驱动器？ 变压器驱动器IC 是一个振荡器 和栅极驱动电路。 通过调节变压器匝数比 以根据不同的电压配置进行升压或 降压，变压器驱动器可以 轻松将输出电压控制在非常低的 电压到高达 24 伏甚至更高的电压之间。 变压器驱动器采用推挽式拓扑， 能够让低噪声应用受益。 这是因为，这种拓扑使用两个低侧开关， 它们在时钟的交替相位打开， 以便在中间抽头的隔离变压器中持续 传输电力。 持续传输电力导致峰值电流要比 其他拓扑低得多，而且发射更少、 效率更高。 在实现负载平衡的情况下，对称式驱动器 还能够防止变压器在器件的输出端饱和。 这可以通过使用在中心抽头上方和 下方具有相同匝数的变压器来实现。 在某些情况下，具有更高性能的 IC 变压器驱动器包含以下功能： 使用外部或内部时钟来调节频率、 集成电流限制、故障检测、 欠压锁定 (UVLO)、热关断以及 内部功率 MOSFET。 无论您的设计需要最简单的 驱动器还是具有经过改进的功能集， 主要设计步骤 大致相同 -- 基于输入电源电压、 所需的输出电压以及输出电流。 下面是分立式隔离电源的一些设计指南。 在为您的设计确定变压器之前， 您需要确定变压器次级侧 所需的电源电流。 在很多情况下，此电流会为隔离式 组件的电源次级侧供电， 而隔离式组件将由电路和 LDO 供电。 您可能还希望获得剩余电流， 以防止 LDO降到稳压范围以下。 一般经验法则是，将电流增大 10% 应当能够获得所需的剩余电流。 您需要选择一个器件，它应当能够提供 所需的输出电流和精确的 输出电压以及极低的输出电压噪声。 建议密切关注最低压降 电压。 需要考虑这一因素， 以防止稳压器降到线路调节 范围以下并破坏您的隔离式信号路径 或产生不必要的错误。 如果您考虑使用高驱动稳压器， 请注意高驱动稳压器通常还具有 更高的压降电压，它们会导致转换器的 整体效率下降。 接下来，选择变压器和变压器驱动器， 以构建您的隔离式电源。 您可以首先根据您的目标输出 电压和输入电压，确定您的变压器需要的 匝数比。 初级侧与次级侧的匝数比等于 输入电压与输出电压的比率。 这样，您就可以得出用于根据您的目标 调节输出功率的比率。 当挑选变压器驱动器时， 很难在众多产品之间做出抉择。 这时可以采取两种办法：一种是选择一个具有 内部时钟或外部时钟的器件。 回想一下，有些变压器驱动器 具有可以使用的内部时钟。另一种办法是 连接到外部时钟以修改 开关频率。 您的设计决策中的最后一步是 选择整流器二极管。 在很多情况下，低成本的肖特基二极管足以 胜任，但要确保二极管的额定值为 预期的输出电流，而且您还考虑到 过热行为。 当温度超过 85°C 时， 很多肖特基二极管反向泄漏电流会增大到 数千微安甚至达到毫安范围。 如此之高的电流会导致系统无法正常运行。 回想一下，必须在推挽式电源中 保持电压与电流的平衡。 如果您的系统要在高温条件下运行， 您可能需要考虑使用低泄漏肖特基二极管 来避免出现此问题。 典型的反向电流过热与 低反向电流过热曲线的对比表明， 热量会造成显著的差异。 这样，您就完成了您的分立式隔离电源设计。 为了避免任何意外，我们来回顾一下 设计人员在设计分立式隔离电源时 经常遇到的一些挑战。 如果您的隔离式电源解决方案 要与隔离式接口配合使用， 则必须确保清洁电源线始终 与您的次级侧电源断开。 毫无疑问，电源线上的噪声会出现在 总线中，电源上由于欠温或过热 而产生的噪声会导致出现问题。 需要特别注意电源稳定性与 温度的关系。 此示例显示了在低输出电流 过热条件下运行时可能 突然出现的波纹。 本视频中显示的变压器驱动器 可以使用高达30 伏的高输出 电压或高达 ±15 伏的双极输出来驱动推挽式 转换器。 使用匝数比低至 0.8 到 5 的市售 中心抽头变压器时，需要使用不同的 整流拓扑来 实现高输出电压。 要注意负载条件， 因为大于大约5 微法拉的负载 可能需要额外的软启动电路或氢化物 变压器。 如果在次级侧产生更高的电压， 请注意初级侧也会产生更高的 灌电流或拉电流，您可能需要解决 此问题才能继续。 现在我们已经大致了解了如何 为隔离式系统设计分立式隔离 电源，我们将讨论集成 IC 的替代品 以及一些有助于确定 哪种解决方案最适合您的使用 案例的设计折衷。 返回到我们的系统图，我们可以看到 用于提供信号和电源隔离的分立式解决方案。 对于需要优先缩小电路板尺寸的设计， 集成信号和电源 IC将直流/直流转换器、 变压器、LDO 和数字隔离器整合在一个封装中。 数据通道由电容隔离技术隔离， 并利用芯片级变压器实现电源隔离。 不过，这种解决方案会面临哪些挑战？ 对于集成式电源解决方案， 内部变压器匝数比 是固定的，通常用于低输出电流， 以使热剖面尽可能低。 集成式解决方案的效率比分立式解决方案 低 20% 到 30% 不等。 对于集成信号和电源解决方案， 一个主要感兴趣方面是发射。 要使用低电感微变压器， 需要使用高频开关，但 这样会导致辐射发射量高于 分立式解决方案。 CISPR22 是欧洲的发射标准， 它能够区分 A 类设备与 B 类设备， 并提供了每类设备的传导和辐射 发射示意图。 此处所示的集成器件 符合 CISPR22 B 类限制线（与电源无关）， 在此示例中，您可以看到使用 3.3 伏输入电源的 发射量显著减少。 选择这样的集成式解决方案 需要额外专注于电路板和系统级 技术，以通过优化实现 性能目标。 使用隔行修补电容 滤波器和共模扼流圈可以在 系统级进一步减少辐射发射。 在下面的网址中可以详细了解用于 集成信号和电源解决方案的低发射系统设计 www.ti.com/isolation。 尽管集成式解决方案面临着一些挑战， 但它们无需在电路板上使用变压器， 而且减小了电路板尺寸， 降低了认证难度， 因此被视为值得使用的折衷方案， 能够在最小的封装尺寸中实现高性能 设计。 隔离式信号和电源设计注意事项的 介绍到此结束。 我们讨论了以下内容：所有数字隔离器都需要 使用隔离式电源，并对隔离器的初级侧 和次级侧使用单独的电源线和 接地线。 连接接地线或电源实际上会将 隔离层短路。 但可以通过两种主要办法来隔离电源： 使用分立式解决方案，包括变压器、变压器 驱动器和 LDO；或者使用将所有组件整合到 一个芯片中的集成式解决方案， 无需使用电源，也不必考虑 组件的过热变化，因此 有助于尽量减少噪声和效率问题。 集成信号和电源解决方案需要 特别注意电路板和布局，才能 最大限度提高效率并减少发射。 谢谢观看。 请继续观看视频以参加在线测验。 数字隔离器解决方案为何需要隔离式电源？ 所有数字隔离器都需要使用隔离式电源， 并对隔离器的初级侧和次级侧 使用单独的电源和接地线。 连接接地线或电源实际上会将 隔离层短路，因此 所有数字隔离器解决方案都需要使用隔离式电源。 判断对错 -- 当设计分立式隔离电源时， 需要使用变压器驱动器？ 错。 变压器驱动器是振荡器 和栅极驱动器电路，它们能够通过简单、 可靠的方法将输出电压控制在 非常低的电压到高达 24 伏甚至 更高的电压之间，以简化电源设计。 LDO 有助于提供稳定的隔离式电源 和防止线路调节错误。 它们都是隔离式电源常用的解决方案， 但并非必需的解决方案。 判断对错 - 隔离式集成信号和电源 解决方案比标准数字隔离器更大？ 错。 数字隔离器和采用集成电源的隔离器 都使用标准引脚封装。 它们需要使用不同的布局实践 来优化发射性能。 如需查找更多隔离技术资源和搜索产品， 请访问www.ti.com.cn/zh-cn/isolation/overview.html。