易于使用的感應式烹飪表面（爐灶）越來越受到消費者的接受，因為它們變得越來越實惠。它們明顯更安全，爐灶上沒有火焰或其他直接熱源，并且具有更好的整體性能，包括更快的加熱時間。

盡管感應技術已經得到充分的基礎和驗證，但驅動感應板的設備設計（導致金屬鍋加熱）需要設計人員了解各種物理原理和設計技術。在相對簡單的電感爐灶框圖的表面之下，所需的技術包括模擬和數字信號處理、電氣保護和隔離的幾個不同領域。

例如，安全標準要求用戶界面和電源之間隔離。有三個主要的隔離位點：

用于控制邏輯的低壓電源

在絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率級及其控制信號之間

在用戶控件和系統控制器之間

安全系統必須至少滿足其中兩個隔離要求。本文將討論允許隔離IGBT柵極驅動器和用戶界面的創新解決方案。

系統說明

與變壓器一樣，電感元件產生磁場。當將金屬鍋放置在現場時，會產生渦流。它們的能量以熱量的形式消散，導致鍋 - 并通過傳導，其內容物 - 變得熱。從電氣角度來看，電感元件驅動有損LC諧振電路，損耗產生熱量。圖1顯示了感應加熱系統的元件。

圖1.感應加熱系統。

電感電流波形由一個高效開關直流電源和一對IGBT開關產生。開關由微控制器驅動，微控制器響應反饋環路，迫使傳感器監控的條件與用戶建立的設置相對應，并保持在安全范圍內。

主傳感器是與感應板串聯的變壓器，用于監控通過感應板的電流值，以便為所選烹飪水平保持適當的電流值。這可以防止損壞功率級（電感板和IGBT），從而根據需要降低電流水平以避免過流情況。

由于電感板、平移和變壓器的電感和電容構成了諧振LC電路，因此人們可能會認為可以通過設置L和C的值來確定感應頻率。因此，通過用戶界面選擇的不同加熱水平不能通過固定頻率進行設置。設置這些工作電平的更有效方法是基于電流測量，該測量提供了耗散功率的度量。反饋環路允許微控制器調整電流水平以對應于所選的加熱水平。微控制器調整脈寬調制 （PWM） 波形的頻率以適應平移。感應爐灶設計人員已經知道對應于每個所需加熱水平的電流，只需對微控制器進行編程以調整PWM頻率，為每個加熱水平提供適當的電流。

驅動IGBT的PWM信號的頻率通常約為20 kHz至100 kHz。考慮到IGBT的關斷特性比MOSFET慢，開關頻率被限制在幾十千赫茲。來自微控制器的PWM信號具有固定的占空比（例如50%）;其頻率將根據用戶選擇的加熱水平所需的功率進行調整。

由于大電流電感電路中可能產生高電壓，因此在系統的關鍵點提供電氣隔離非常重要。特別是，必須將電感灶的功率級與微控制器和其他數字電路隔離開來。一種方法是使用隔離式IGBT驅動器。基于ADI創新i耦合器技術的一系列低成本隔離式柵極驅動器電路與傳統隔離解決方案相比具有許多優勢。?

電流隔離是一種防止電流直接在兩個通信電路之間流動的方法。使用隔離有兩個主要動機。首先是保護可能暴露在高工作電壓或電流浪涌中的人員和設備。第二是避免接地環路和破壞性接地電流，其中互連涉及不同的接地電位。在這兩種情況下，隔離技術都會阻止電流流動，但允許兩個電路之間的數據或功率流動。

我耦合器技術（圖2）是一種基于變壓器的隔離方法。它集成了微變壓器和電子電路，具有光耦合器、分立變壓器和半導體技術的所有優點，但沒有光耦合器和分立變壓器的缺點。光耦合器的限制包括功耗過高、時序誤差大、數據速率限制和溫度敏感性。在基于耦合器的產品中，通過在變壓器線圈之間使用20μm厚的聚酰亞胺絕緣層來實現滿足安全機構要求的絕緣。它能夠實現大于 5 kV rms 的隔離額定值。該技術使用獲得專利的刷新電路，當輸入信號轉換不存在時，該電路會更新輸出以正確對應于輸入狀態，從而避免了分立變壓器固有的無法達到正確的直流電平。

圖2.i耦合器技術的剖析。

i耦合器技術在五個關鍵領域具有優勢：

集成（尺寸/成本）

性能

功耗

易于使用

可靠性

使用i耦合器技術隔離IGBT

我耦合器技術可用于一系列隔離式柵極驅動器，包括2通道ADuM1233（圖3），它在輸出和輸入之間以及兩個輸出之間提供隔離，因此可用于隔離IGBT的控制。

圖3.ADuM1233的功能圖

輸入電路的電源由隔離電源提供，可能需要一個或多個電壓轉換級。微控制器和系統其余部分需要5 V電源，IGBT電路需要15 V才能高效運行。i耦合器隔離柵極驅動器必須提供高達100 mA的峰值驅動電流，因此需要額外的增益級，如圖4所示。

圖4.使用 i耦合器隔離驅動 IGBT。

由于兩個通道之間的時序關系很重要（IGBT由反相PWM信號驅動），因此與LED和光電二極管相比，i耦合器技術的速度、穩定性和可靠性特別有利。圖5中的曲線顯示，在100 V至1 V輸出和12.18 V至4.5 V輸入電源范圍內，兩個通道上升沿的傳播延遲匹配約5 ps，下降沿的傳播延遲優于5 ns。

圖5.傳播延遲通道匹配與電源電壓的關系。

a） 輸出電源。（b） 投入供應。

由此產生的時序裕量可確保IGBT的完全互補開關，從而提高功率級和整個系統的效率。

如前所述，ADuM1233在輸入電路和器件輸出之間以及兩個輸出電路之間提供真正的電流隔離。相對于輸入，每個隔離輸出的工作電壓最高可達±700 V，從而支持低側電源的負電壓（圖4中的–HV）。高壓側和低壓側電源軌（+HV和–HV）之間的差異不得大于700 V;但是，這與通常用于為感應烹飪供電的電壓軌兼容。

采用i耦合器技術隔離用戶界面

如果使用電容式鍵盤，微控制器與AD7147或AD7148電容式鍵盤控制器之間的接口可以通過SPI（串行外設接口，源自摩托羅拉）或I串行實現。2C（內部集成電路，飛利浦半導體商標）。雙向 I?2C 接口用于短距離上相對較低的數據速率通信，其中低成本很重要。我2C 語言僅使用兩根雙向導線即可實現低成本。然而，這種低成本優勢被否定了，當2C總線與光耦合器隔離，光耦合器是單向的，不能處理雙向信號。因此，來自每根導線的發射和接收信號必須分開，產生的四根導線用四個光耦合器隔離。此外，還需要一個專門的緩沖器來消除隔離接口內的鎖定和毛刺。額外的組件增加了成本和復雜性，并且占用了寶貴的電路板空間。

i耦合器技術提供的集成隔離解決方案以低成本降低了空間要求和設計復雜性。圖1250所示的ADuM6和ADuM1251實現了真正的雙向隔離，并集成了一個緩沖器以消除毛刺和鎖相。這種全面集成度將所需的外部元件限制為兩個旁路電容和兩對上拉電阻（在 I 中指定2C 標準）— 并提供 I2低成本的C接口。有關應用這些器件的詳細信息，請參見AN-913應用說明隔離 I2C 接口.

圖6.ADuM1250 雙通道熱插拔I2C 隔離器。

平移檢測

檢測感應灶上平底鍋的存在很重要。IGBT必須管理連接到其集電極（+HV）的高壓軌。通過使用電阻分壓器對這些電壓進行采樣，可以將代表它們的信號發送到微控制器，以檢測IGBT集電極上電壓的任何變化。如果用戶選擇加熱水平并將平底鍋放在感應灶上，則由此產生的能量傳輸和電流尖峰將在集電極上產生電壓變化，從而在電阻分壓器輸出端產生電壓變化。當平底鍋從感應灶上取下時，變化將相反。因此，通過使用ADCMP3xx系列比較器，將電壓變化與固定閾值進行比較，可以檢測到電感灶上是否存在平移。如果未檢測到平移，則向微控制器發送中斷，微控制器將調整PWM頻率，直到IGBT停止向電感元件提供電流。這提供了額外的安全性，以防用戶忘記關閉感應爐灶。

結論

電感式烹飪技術是ADI公司耦合器數字隔離器件眾多實用應用中的一個示例。如今，i耦合器產品系列可用于一般數字隔離和專業應用。

審核編輯：郭婷