設計具有同步整流功能的隔離式DC-DC轉換器的傳統方法是使用光耦合器或脈沖變壓器進行隔離，并將它們與柵極驅動器IC配接在一起。本文將說明光耦合器和脈沖變壓器的局限性，并介紹一種集成度更高的方法，該方法具有更高的性能以及更小的解決方案尺寸和成本。

脈沖變壓器

使用脈沖變壓器耦合低電平信號、隔離它們并驅動電源開關具有優勢，但也有一些局限性。脈沖變壓器在柵極驅動應用中的一個優點是，脈沖變壓器可用于從3 V或5 V邏輯電平升壓至驅動MOSFET柵極所需的15 V或更高電平電壓。遺憾的是，為了驅動大電流同步整流電路，可能需要一個單獨的高電流柵極驅動器IC。脈沖變壓器在柵極驅動器應用中需要考慮的另一點和主要缺點是，它們不能很好地處理占空比超過50%的信號。這是因為變壓器只能提供交流信號，因為必須每半個周期重置一次磁芯磁通，以保持伏秒平衡。

脈沖變壓器的另一個缺點是效率損失。當使用脈沖變壓器驅動MOSFET的柵極時，變壓器必須以正電平驅動，然后以負電平驅動，以保持伏秒平衡。用于驅動負電平的能量不用于驅動MOSFET的柵極;柵極僅按正電壓電平充電。對于變壓器由正直流電壓驅動的典型應用，隔直電容器連接到變壓器輸入，變壓器由施加電壓的1/2的正電壓驅動。這意味著負電壓也是施加電壓的1/2，因此脈沖變壓器的效率降低到50%。如果在變壓器輸出端增加一個柵極驅動器，變壓器和柵極驅動器的總效率將不再為50%，但僅脈沖變壓器就至少會有50%的效率損失。

這里已經表明，柵極驅動器應用中的脈沖變壓器具有占空比限制、效率差和解決方案尺寸較大的缺點，這使得它不適合高功率、高密度同步整流應用。

光耦合器

與脈沖變壓器相比，使用光耦合器作為同步整流的柵極驅動器具有一些優勢，但使用光耦合器也有其自身的挑戰。光耦合器不需要像脈沖變壓器那樣保持伏秒平衡，因此它對占空比的限制與脈沖變壓器不同。但是，由于初級側發光二極管（LED）的電容（典型值為60 pF），光耦合器的響應速度受到限制，并且驅動二極管的速度高達1 MHz會受到其傳播延遲（最大值為100 ns）和緩慢上升和下降時間（最大值為30 ns）的限制。

在同步整流器應用中使用光耦合器的一個主要問題是通道之間時序的變化量。光耦合器采用塑料封裝作為分立器件構建，通道間的變化無法像集成半導體工藝那樣控制，因此通道間匹配可能很大（最大40 ns）。在同步整流電路中，需要嚴格控制通道之間的時序，以幫助減少一個通道關斷和另一個通道導通之間的死區時間，否則效率將隨著開關損耗的增加而受到影響。

由于電流傳輸比（CTR）的性質，使用光耦合器進行設計可能具有挑戰性，CTR定義了輸出晶體管上看到的電流量與驅動LED所需電流量的比值。CTR受溫度和老化的影響，因此設計人員需要估計CTR在光耦合器的使用壽命和溫度范圍內的變化。為了在工作條件下保持CTR，驅動LED所需的電流可能超過10 mA，這對于高效設計來說功耗可能過高。

此外，需要電阻來偏置LED和光電晶體管，并且需要柵極驅動器IC來提供光耦合器無法為高功率同步整流器電源提供的高峰值電流。對于緊湊的先進電源，光耦合器解決方案的尺寸將變得大得令人望而卻步。

ADUM3220 4 A柵極驅動器

ADuM3220設計用作隔離系統中的4A柵極驅動器，用于同步DC-DC轉換。傳統解決方案使用兩個隔離器和一個雙柵極驅動器。如圖1所示，雙柵極驅動器IC可以與兩個脈沖變壓器或兩個光耦合器通道配合使用，以提供相當大的解決方案尺寸。鑒于電源應用需要在小面積內提供大量電源，如圖1所示，ADuM3220是一款體積小50%以上的解決方案，是一種集成度更高、成本更低的解決方案。

圖1.脈沖變壓器、光耦合器和ADuM3220柵極驅動器解決方案

同步整流使用 N 溝道 MOSFET 代替二極管來降低傳導損耗并提高要提供許多安培電流的電源的效率。實現同步DC-DC轉換器架構需要將次級MOSFET開關與初級MOSFET開關的開關同步。圖2顯示了ADuM3220應用電路，用于具有未調節輸出電壓的隔離式同步DC-DC轉換器。

圖2.ADuM3220應用原理圖和時序波形

DC-DC控制器將PWM驅動信號發送到主交換機和次交換機。初級開關Q1和Q2在推挽動作中導通，在進行定時之前斷開以驅動變壓器T1的兩個初級線圈，如圖2的定時波形所示。T1的次級線圈需要與初級線圈同步切換，方法是在打開Q1時打開Q3，在打開Q2時打開Q4。請注意，如果顯示Q3'和Q4'PWM波形，它們將按ADuM3220的已知傳播延遲及時提前，以便Q3和Q4按預期及時出現。ADuM3220的典型傳播延遲僅為45 ns，其中包括數字隔離器延遲和柵極驅動器延遲。通過將柵極驅動器與隔離器集成，傳播延遲的規格更加精確，這是與分立脈沖變壓器和光耦合器解決方案相比的優勢。

當PWM開關以高頻率執行時，PWM控制信號需要非常嚴格的控制。例如，當PWM頻率為ADuM3220最大開關頻率1 MHz且占空比為50%時，脈沖寬度為500 ns。在如此小的脈沖寬度下，ADuM3220通道之間的匹配需要非常好，才能實現精確的開關。ADuM3220的典型通道間匹配為1 ns，在整個溫度范圍內最大匹配為5 ns。ADuM3220通道之間的這種精確匹配有助于防止交叉傳導，保護MOSFET免受損壞，并允許最短的死區時間，從而降低開關損耗并提高效率。

接下來，我們將考慮使用隔離反饋來嚴格控制輸出電壓的應用，占空比不會固定為50%，而是會隨著控制輸出電壓而變化。在這些應用中，在初級開關都關閉期間，可能需要允許Q3和Q4開關同時導通，以防止Q3和Q4的體二極管導通，這會降低效率。圖3所示ADuM3221的應用電路是一個4 A柵極驅動器，與ADuM3220類似，但沒有非重疊控制邏輯，允許Q3和Q4同時導通。與ADuM3220不同，ADuM3221柵極驅動器的時序圖具有圖3所示的穩壓輸出，允許開關Q3和Q4在Q1和Q2均關斷時導通。

圖3.ADuM3221 具有穩壓輸出和定時波形的應用原理圖

總之，對于隔離式同步DC-DC應用，ADuM3220/ADuM3221已被證明可將解決方案尺寸減小50%以上，通過集成降低設計復雜性，并且比脈沖變壓器和光耦合器解決方案提供更高的時序性能。

審核編輯：郭婷