Изоляция в цифровом источнике питания - почему и как
В этой статье рассматриваются технологии цифровой изоляции с продуктами iCoupler от Analog Devices в цифровом дизайне питания.
Благодаря агрессивному росту инфраструктуры Интернета и коммуникаций цифровые технологии управления становятся все более популярными в энергетических системах телекоммуникаций, сетей и компьютеров, поскольку они могут предложить привлекательные преимущества, в том числе гибкость, сокращение количества компонентов, расширенный алгоритм управления, системная связь, низкая чувствительность к внешним шумовым воздействиям и изменение параметров. Цифровые источники питания широко используются в высокопроизводительных серверах, хранилищах, телекоммуникационном кирпичном модуле и т. Д. Для этих приложений часто требуется изоляция.
Проблема изоляции в цифровом источнике питания заключается в отправке цифровых или аналоговых сигналов через изолирующий барьер с быстрой скоростью, точностью и компактными размерами. Однако традиционное решение для оптопары имеет низкую пропускную способность и коэффициент передачи тока (CTR), что вызывает широкая вариация с температурой и ухудшение с временными проблемами. У трансформаторного решения также есть объемный размер, проблемы с магнитным насыщением и т. Д. Эти проблемы ограничивают использование оптопары или трансформатора в некоторых приложениях с высокой надежностью, компактностью и долговечностью. В этой статье обсуждаются методы цифровой изоляции для решения этих проблем с продуктами iCoupler от Analog Devices в цифровом дизайне питания.
Зачем нужна изоляция
При проектировании источника питания соблюдение стандартов безопасности имеет важное значение для защиты операторов и другого персонала от поражения электрическим током и опасной энергии. Изоляция является важным методом для соответствия стандартам безопасности. Требование изоляции определяет различные уровни входного и выходного напряжения - как стационарного, так и переходного - многими агентствами по всему миру, такими как VDE и IEC в Европе и UL в Соединенных Штатах. Например, в UL60950 введено пять категорий изоляции:
- Функциональная изоляция: изоляция, которая необходима только для правильной работы оборудования.
- Основная изоляция: Изоляция для обеспечения основной защиты от поражения электрическим током.
- Дополнительная изоляция: Независимая изоляция применяется в дополнение к основной изоляции, чтобы снизить риск поражения электрическим током в случае отказа основной изоляции.
- Двойная изоляция: изоляция, которая содержит как основную изоляцию, так и дополнительную изоляцию.
- Усиленная изоляция: единственная система изоляции, которая обеспечивает степень защиты от поражения электрическим током и эквивалентна двойной изоляции в условиях, указанных в этом стандарте.
Сравнение первичного бокового контроля и вторичного бокового контроля
В соответствии с положением контроллера изолированные способы управления мощностью делятся на два типа: контроль первичной стороны и вторичное управление. В таблице 1 показано сравнение функций между контролем первичной стороны и вторичным контролем. UVP и OVP выдерживают защиту от пониженного напряжения и защиту от перенапряжения, соответственно, в таблице ниже.
| функция | Первичный боковой контроль | Вторичный боковой контроль |
| Включение питания | Для питания контроллера требуется прямой или простой регулируемый источник постоянного тока | Для питания контроллера требуется дополнительная изолированная мощность |
| Ворота | Драйверы ворот первичного переключателя не нуждаются в изоляции; для синхронных выпрямительных вентиляторов требуется изоляция. | Драйвер ворот синхронного выпрямителя не нуждается в изоляции; драйверы ворот первичного переключателя нуждаются в изоляции. |
| Входной сигнал UVP / OVP | Изоляция не требуется. | Требуется изоляция |
|
Выход UVP / OVP |
Требуется изоляция. | Изоляция не требуется. |
| Контур управления | Для регулирования выходного напряжения требуется изолированный контур управления. | Изолированный контур управления не требуется. |
| Системная связь | Требуется изоляция. | Изоляция не требуется. |
| Дистанционное включение / выключение | Изоляция не требуется. | Требуется изоляция. |
Вторичный боковой контроль
ADP1051 представляет собой усовершенствованный цифровой контроллер питания Analog Devices с интерфейсом PMBus, который предназначен для высокой плотности мощности и высокопроизводительных приложений, таких как промежуточные шинные преобразователи.2. ADP1051 основан на гибкой архитектуре конечных автоматов и обеспечивает множество привлекательных функций, таких как защита от обратного тока, запуск с предварительным смещением, режим постоянного тока, регулируемая скорость нарастания выходного напряжения, адаптивное управление мертвым временем и баланс вольт-секунд внутри чипа, что уменьшает количество внешних компонентов по сравнению с аналоговым решением. Как правило, ADP1051 чаще используется в качестве контроля побочной части, поскольку его легко связывать с системой. Поэтому сигналы, такие как ШИМ-сигналы синхронных выпрямителей и VOUT-чувствительности, не должны пересекать границу изоляции для связи с системой. Однако в этом случае требуется вспомогательный источник питания для обеспечения начальной мощности вторичного контроллера ADP1051 на этапе запуска с первичной стороны. Кроме того, сигналы ШИМ, которые от ADP1051, должны пересекать границу изоляции. Обсуждаются три подхода: трансформатор затвора, цифровой изолятор и изолированный драйвер ворот.
Трансформатор привода затвора
На рисунке 1 показана блок-схема цифрового источника питания с решением трансформатора затвора. В этом подходе вторичный контроллер ADP1051 отправляет сигналы PWM в ADP3654, который является двухканальным 4 A MOSFET-драйвером. Затем ADP3654 управляет трансформатором привода затвора. Функция трансформатора привода затвора заключается в передаче сигналов привода от вторичной стороны к первичной стороне и приводе первичных МОП-транзисторов. Вспомогательный изолированный источник питания обеспечивает питание ADP1051 на начальной стадии.
Рисунок 1. Трансформатор привода ворот, управляемый решением ADP3654
Преимущества решения трансформатора затвора включают незначительную задержку времени и более низкую стоимость. Однако ADP3654 требует более тщательного проектирования трансформатора привода затвора, поскольку трансформатор должен быть сброшен после периода времени, иначе он будет насыщаться. В плане конструкции трансформатора затвора для полумостовой топологии часто используется двухконтурный трансформатор, который показан на рисунке 2.
На рисунке 2 показана схема трансформатора привода затвора, приводимого в действие ADP3654. Выходы VOA и VOB ADP3654s подключаются к трансформатору привода затвора через DCC-блокирующий конденсатор CDC. Учитывая максимальные вольт-секунды, требуемые во всех рабочих условиях, для полумоста выбирается максимальный рабочий цикл 50%. Как только ядро выбрано, количество первичной обмотки NP может быть рассчитано с использованием уравнения 1:
Где VDD - напряжение на первичной обмотке, fs - частота переключения, ΔB - изменение плотности потока от пика до пика в течение половины периода переключения, а Ae - эквивалентная площадь поперечного сечения сердечника. Когда VOA прижимает диски с высоким и VOB низким, Q1 включается, а Q2 выключается. Когда VOB диски высоко и VOA диски низки, Q2 включен и Q1 выключен. Обратите внимание, что этот трансформатор привода затвора подходит для симметричного полумоста, но не для асимметричного полумоста или другой активной топологии зажима.
Рисунок 2. Трансформатор с двумя затворами
Цифровой изолятор
На рисунке 3 показана блок-схема цифрового источника питания, который реализует решение цифрового изолятора. Двухканальный цифровой изолятор ADuM3210 используется как цифровая изоляция для передачи сигналов ШИМ от вторичного контроллера ADP1051 к первому драйверу половинного моста.
Рисунок 3. Цифровой изолятор
По сравнению с конструкцией трансформатора сложного затвора решение цифрового изолятора меньше, надежнее и проще в использовании. Для рабочего цикла нет ограничений, и это решение не имеет проблемы насыщения. Поскольку это экономит более 50% площади печатной платы, это решение может обеспечить высокую плотность мощности.
Изолированный драйвер ворот
Для дальнейшего упрощения конструкции, интегрированной электрической изоляции и мощных средств управления затвором, автономный драйвер половинного моста ADuM7223, 4 A может обеспечивать независимые и изолированные выходы с высокой и низкой стороны. Изолированное решение драйвера ворот показано на рисунке 4.
Рисунок 4. Изолированное решение драйвера ворот
На рисунке 5 изолированный драйвер ворот ADuM7223 сконфигурирован как драйвер драйвера начальной загрузки для управления полумостом. DBST - внешний бутстрап-диод, а CBST - внешний буферный конденсатор. Во время каждого цикла при включении MOSFET Q2 с низкой стороны VDD заряжает конденсатор бутстрапа через бутстрап-диод. Чтобы минимизировать рассеивание мощности, низкое падение напряжения вперед и быстрое обратное время восстановления, требуется сверхбыстрый диод.
Рисунок 5. Изолированный драйвер затвора, настроенный как привод затвора
Первичный боковой контроль
Поскольку первичный контроль стороны не нуждается в дополнительном изолированном источнике питания и имеет простую архитектуру управления, использование первичного контроля стороны более популярно в некоторых недорогих приложениях. В соответствии с траекторией контроля изоляции обсуждаются три подхода: линейный оптрон, общий оптрон со стандартным усилителем и изолированный усилитель.
Линейный оптрон
Изоляция выходного напряжения в цифровом источнике питания обычно требует быстрой и точной изоляции обратной связи. Оптопары часто используются для отправки аналоговых сигналов со вторичной стороны на первичную сторону, но CTR оптрона варьируется в очень широком диапазоне температур и со временем ухудшается. На рисунке 6 показан нормализованный CTR по отношению к температуре окружающей среды, характерной для TCET1100. Из этого рисунка изменение CTR будет превышать 30% от -25 ° C до + 75 ° C.
Рисунок 6. Нормализованный CTR по сравнению с температурой TECT1100
Очень трудно гарантировать точность выходного напряжения с помощью общего оптопары, используемого непосредственно в контуре обратной связи для передачи выходного напряжения. Общий оптрон используется с усилителем ошибок для передачи сигнала компенсации вместо выходного напряжения. ADP1051 уже имеет компенсацию цифрового контура, встроенную в микросхему, поэтому ей больше не нужен сигнал компенсации. Один из способов заключается в использовании линейного решения оптопары для линейного перевода выходного напряжения, как показано на рисунке 7. Стоимость линейного оптрона высока, что означает, что пользователь должен заплатить премию.
Рисунок 7. Линейное решение для оптопары
Общий оптрон со стандартным усилителем
Другая схема может применяться для реализации управления первичной стороной с использованием общего оптопары и стандартного усилителя, который показан на рисунке 8. В этом случае достигается высокая точность выходного напряжения без большого диапазона CTR оптопары из-за изменений температуры, Результаты измерений показывают, что изменение выходного напряжения находится в диапазоне ± 1%, с диапазоном CTR от 100% до 200%.
Рисунок 8. Оптрон с усилителем
Формула CTR:
Когда CTR изменяется с температурой, выход усилителя компенсирует изменения, чтобы поддерживать высокую точность выходного напряжения. Обратите внимание, что стабильная рабочая точка и диапазон колебания усилителя должны быть хорошо спроектированы для удовлетворения изменения CTR с требованием температуры, если выход усилителя насыщается.
Рисунок 9. Изолированный усилитель
Изолированный усилитель
Третий метод - изолированный усилитель, такой как ADuM3190, который показан на рисунке 9. ADuM3190 - изолированный усилитель, который идеально подходит для линейных источников питания обратной связи с первичными контроллерами, благодаря своей высокой пропускной способности и высокой точности по сравнению с оптопарой, Это позволяет улучшить переходный отклик, плотность мощности и стабильность по сравнению с широко используемыми решениями оптопары и шунтирующего регулятора. При правильной конструкции ADuM3190 может достигать ± 1% точности выходного напряжения.
Вывод
Из-за растущего требования безопасности, высокой надежности, высокой плотности мощности и интеллектуального управления в современной энергетической системе в телекоммуникациях, сетях и компьютерах методы изоляции будут играть все более важную роль. По сравнению с традиционными оптопарами и трансформаторными решениями, аналоговые устройства iCoupler ADuM3210, ADuM7223 и ADuM3190 с цифровым контроллером питания ADP1051 обеспечивают высокую надежность, высокую пропускную способность и высокую плотность плотности.
Рекомендации
Баосин Чен. «Изоляция микротрансформатора обеспечивает цифровой контроль». Power Electronics Technology, октябрь 2008 г.
ADP1051. Analog Devices, Inc., 2014.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.