引脚兼容的数字隔离栅极驱动器,让电源设计者更轻松,

当基于光电耦合的栅极驱动器(光耦驱动器)出现时,第一个基于变压器隔离门驱动器的方案很快被遗弃。在过去的三十年里,光耦驱动器已经成为隔离栅极驱动器方案所专用了。因为它们在单个封装内提供了隔离栅极驱动器的功能和固有的高压侧电平转移。然而,最近推出的将隔离栅极驱动器性能和可靠性提升到一个新的高度的,基于先进CMOS工艺的光驱动器有望取而代之。这篇文章谈论了光耦驱动器和CMOS替代品的底层技术。

光驱动器解剖

光驱动器的时序特性使得这些器件最适合于低频应用,像电机驱动。大多数的光驱动器应用将阳极接到相对低压上(VF=2.5V到5V),并且使用限流电阻(RF)串接到阳极上,同时输出侧一般采用30V(最大) 直流偏置供电。基本的光驱动器(见图1)由两个裸片组成。一个裸片包含了一个发光二极管(LED),第二个裸片包括了光探测器和输出门驱动器。这两个裸片是通过光学透明绝缘薄膜或介质分离的(如图1所示)。电流流过阳极使得发光二极管照亮单端光探测器的表面。只要发光二极管一打开,光探测器表面产生的电流就会使得驱动器输出转换为高。相反的,没有阳极电流时,发光二极管停止发光,驱动器输出保持为低电平。注意光驱动器是由砷化镓(GaAs)工艺技术制造的,因此其参数变化对温度很敏感。它们在持续的高温和电流情况下,发光二极管也有老化的情况。

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图1.光驱动器结构和使用

选择一个光驱动器时,要求设计者从这些候选的光驱动器中,匹配到他们大多数关键系统需求。光驱动器参数随温度、电流、器件寿命变化,进而影响几个关键参数包括阈值稳定性,器件单元匹配和时序性能,使设计者花费宝贵的设计余量来达到光驱动器正常工作,或者只能购买更好(更贵)的光驱动器。其他问题包括共模瞬态抑制(CMTI),它指的是一个隔离器抑制快速共模瞬变引起严重的系统数据错误。光耦的高内部寄生耦合降低了共模瞬态抑制能力,迫使设计者增大阳极电流或添加额外的物料(BOM)来提高共模瞬态抑制性能。

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图2.光驱动器等效内部寄生模型

共模瞬态事件中,数据丢失的概率是与光驱动器的内部寄生耦合强度部分相关的。例如,更强的内部寄生耦合,将在共模瞬态事件中导致更大的数据丢失的可能性。这个问题在开关电源和电机驱动系统中尤其特别,共模瞬态事件能引起两个功率开关在互补功率驱动时都导通,烧毁两个开关管和相关的栅极驱动器。

图2显示了典型光驱动器内部寄生路径,二极管阳极电容耦合电流IF到光驱动器地屏蔽(更大的寄生耦合,二极管阴极电容,产生的后果很小,因为它是通过共模电压(VCM)被短路了。这种配置下,负向的共模电压能通过二极管阳极电容窃取二极管阳极电流,使得二极管瞬间关断。同样,正向共模瞬态事件能瞬间打开二极管。在这两种情况下,共模瞬态大小是由寄生电容和瞬态的上升下降时间决定的(参见方程式1)。

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Icm是在共模瞬态事件中,被二极管阳极电容窃取的电流量。dVcm/dt是共模瞬态事件的斜率。

总之,光驱动器遭受着组合的问题。包括固有的LED老化机理,温度、电流、器件寿命和因其单端结构和因高的内部寄生所产生的临界共模瞬态干扰等参数变化。砷化镓工艺技术的使用也降低了其时序性能和负面影响了模拟电路的精度。如电流阈值。使用膜化合物和聚酰亚胺胶带作为电介质目的是空隙和电弧放电。

CMOS驱动器代替栅极驱动光耦

Si826x系列驱动器,封装和引脚都兼容栅极门驱动光耦,可直接进行替换而不需要做印制电路板改动。并且器件可使用在定制方式下工作或使用传统光驱动器输入电路。Si826x隔离门驱动器产品与光驱动器相比,其时序性能比光驱动器快8到10倍。这有利于它们在低中频应用像电机驱动、医疗设备和开关模式电源系统中使用。产品有峰值电流0.6A(Si826xA)或4A(Si826xB)可选,同时,欠压锁定(UVLO)阈值有5V,8V和12V可选,这取决于产品编码。所有的Si826x器件都支持5KV加固保护隔离和10KV浪涌保护。并且共模瞬态抑制可达35kV/uS(最小)和50kV/uS(典型值)。器件也支持IEC 60747-5-2隔离额定值为5KV的认证,包括IEC 6006510kV浪涌保护,他们也满足IEC 60950-1,61010-1,60601– 1要求(强制绝缘),工作电压1200V,这些评级允许Si826x器件广泛的用于最恶劣的电气环境中的终端设备当中

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图3. Si826x替换光驱动器

Si826x CMOS 隔离栅极解剖

Si826x栅极驱动器(如图3所示)由两个裸片组成。一个裸片包含一个发光二极管模拟器和高频发射器,第二个裸片包含匹配的高选择性接收器和输出驱动器。这两个裸片是通过差分(电容)隔离屏障分开的。采用二氧化硅做为隔离屏障的介质。Si826x使用相对来说很简单:阳极输入电流达到或超过指定的电流阈值使二极管模拟器发射一个高频载波到接收器,输出逻辑高电平。相反的,阳极输入电流低于指定阈值时将禁止载波发射,使得接收器将栅极驱动器输出逻辑低电平。注意,精确的发射器和高选择性的接收器组合实现鉴频,能防止外部干扰,比随机光驱动器的发光二极管辐射具有更高的数据完整性。同时,Si826x小隔离电容尺寸,差分信号路径和低载波振幅组合,可实现接近于零的电磁干扰和对外部磁场和电场高抑制性。

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图4. Si826x等效内部寄生模型

Si826x内部寄生耦合比光驱动器弱2到3倍,进一步提高了共模瞬态抑制和整体噪声性能。Si826x寄生等效框图(见图4)只包括了输入电容和发光二极管阴极电容。注意这个发光二极管阴极电容已经大部分被消除了,因为它被共模电压短路了,其余的寄生效应是非常小的,影响也最小。使用CMOS工艺技术和二氧化硅介质也确保了高可靠性,长器件寿命和消除了光驱动器固有的老化机理。

总结, Si826x隔离栅极驱动器提供了比光耦栅极驱动器更好的如下优势:

  • 宽工作温度范围(–40 to +125 °C)

  • 显著提高工作性能

  • 抵抗温度、年限和正向电流影响

  • 低于10倍的失效率,达到更长的工作寿命,确保更高的可靠性

  • 改善了8倍的传输延迟

  • 更低的功耗

  • 3.75kV基本型,5kV增强型和10kV浪涌隔离型可选用

  • 高达50kV/uS 的共模瞬态抑制(典型值)

  • 低2到3倍的内部寄生耦合增加易用性

  • 接近于零的电磁干扰传导和辐射

  • 对外部电场和磁场的高阻抗

  • 引脚兼容,直接升级栅极驱动光耦而不需要改印制电路板

Si826x隔离栅极驱动器应用

并行测试芯科实验室的Si826x光驱动器和安华高HCPL-3120ACPL-T350及ACNW-3190基于发光二极管栅极驱动光耦,图5是用于测试的光驱动对比板,这个板有一个高电流输入驱动器,输入电压VF通过相同的阳极输入电阻到光驱动输入端。

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图5. 光驱动器对比板

Si826x隔离栅极驱动器的实验结果如下表所示,Si826x传输延迟比这些光耦驱动器快7到9倍。

表1:Si826x 对比光耦驱动器时序举例

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传输延迟测试条件如图6所示。Si826xA的传输延迟结果是显示在图7中,示波器通道1是输入,通道2是输出。注意这个Si826xA(0.6A峰值)和Si826xB(4.0A峰值)商社下降时间都是一样快速的,平均传输延迟时间大约为37nS。图8显示了与之竞争的光耦驱动器的性能,3个驱动器表现出明显更长的传输延迟。通道2观察到的失真是因为任意波形发生器信号源到光耦驱动器间的阻抗不匹配造成的。

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图6.传输延迟测量步骤

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图7. Si826xA/B 传输延迟

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图8. 光耦驱动器传输延迟

图9显示了所有5个产品的共模瞬态抑制测试情况。图10显示了Si826x的结果。图11显示了3个光耦驱动器的响应。HCPL-3120YYYO有一个670mV的偏移耦合到了输出端,ACNW-3190有160mV偏移耦合到输出端。

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图9.传输延迟测试步骤

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图10. Si826x共模瞬态抑制

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图11.光耦驱动器共模瞬态抑制

总结:

基于CMOS工艺的栅极驱动光耦替换方案提供了比传统光耦驱动器可观的性能和可靠性收益。这些数字隔离器器件是适合用在新设计中及用于改型光耦驱动器,而不涉及到更改印制电路板,同时也提供了显著的性能和可靠性提升,使得使用寿命超过60年。