引言

　　隔離電源系統被廣泛應用于服務器系統、工業應用以及電信和網絡設備中。在這個對帶寬有強烈需求的物聯網(IoT)時代，越來越多的此類系統需要高效供電，從而帶來了對低功耗、高性價比解決方案的更多需求。

　　隨著設備變得越來越小，電源也必須跟隨著變小。因此，當今設計人員的首要目標是：將單位體積功率(W/mm3)最大化。實現這一目標的一種方法是使用更高性能的電源開關。目前在這一領域已經有很多重要的創新，并且令人興奮的全新產品現在也已面市，這些產品擁有高速開關切換能力，可以提供更高的系統效率和更小的器件尺寸。

　　這些新型電源開關包括新一代更快的、基于硅的MOSFET，以及像鎵氮化物(GaN)或碳化硅(SiC)基質這些更新的技術。

　　與硅技術的垂直結構相比，新技術的橫向結構使其成為低電荷設備，因此能夠在幾納秒(ns)內轉換幾百伏。這非常適合快速開關系統。

　　其它優點包括較高的電場強度和電子遷移率，這意味著對于給定的擊穿電壓和導通電阻，開關尺寸可以小很多。另外，它們也具有更寬的帶隙(Band Gap)，這意味著它們可以在更高的頻率和更高的電流下安全地操作。

　　然而，對于電源來說，快速切換并非沒有代價——它產生高噪聲瞬變，這可能會導致調制丟失，或由于閂鎖效應(Latch-up)而永久損壞整個系統。為了解決這個問題，用于驅動這些新型電源開關的器件的噪聲抗擾度必須得到顯著的改善。本文介紹了這些新技術以及設計人員如何能夠武裝自己以應對未來電源設計方面的挑戰。

　　電源轉換器系統

　　讓我們來仔細看看廣泛存在的開關模式電源(SMPS)，其中功率開關是最關鍵的部分。SMPS從交流到直流(AC-DC)或者從直流到直流(DC-DC)轉換其輸入功率，并且在大多數情況下，它們也改變電壓電平以適應應用的需要。

　　圖1.典型的AC-DC SMPS開關電源框圖

　　該圖顯示了一個典型的AC-DC SMPS開關電源框圖。首先，將交流輸入電壓整流成直流電壓。然后，在電源開關級使用柵極驅動器調制該直流電壓以控制調制過程。控制器生成控制信號，柵極驅動器用其來調制電源開關。該開關電壓通過一個帶有預期匝數比(Turns Ratio)的隔離變壓器來耦合，從而在輸出時獲得正確的電壓電平。然后該電壓由同步FET整流回直流。同步FET也需要柵極驅動器以控制其開關。電流和/或電壓傳感器監測輸出，并且提供反饋到控制器以微調調制方案，從而獲得最佳性能。

　　電源轉換器系統性能

　　正如前面提到的，設計人員面臨的挑戰是實現單位體積中的最高功率。要做到這一點，最好的辦法是提高系統效率。通過開關和/或傳導而損耗的功率會產生熱量，它們還必須通過散熱片安全地釋放掉，但也由于散熱片的尺寸而增加了總體積。因此，創建一種更高效的設計有兩大好處——增加有用輸出功率和減小總體積。

　　為了實現這一目標，同時保持安全性，可用的最佳手段之一就是提高開關速率和頻率。這樣做具有以下優點：

　　· 更快的開關時間減小了電源開關損耗和散熱片的必要尺寸;

　　· 更高的調制頻率減小了輸出電容和電感的尺寸和成本;

　　· 更高的調制頻率減小了磁性材料(鐵氧體等)的不利影響;

　　· 更高的調制頻率改善了瞬態響應，防止電壓過沖/下沖(Voltage Over/Under-shoot)。

　　在這些優點備受青睞的同時，也有一項風險牽涉其中。如下圖所示，更快的開關會導致更高的開關瞬變。在當前采用GaN電源開關設計的最先進的系統中，開關時間通常約為5ns，或者比傳統系統快約10至20倍。例如，一根典型的600V高壓線將導致一個120 kV/μs的瞬變(600V/5ns=120V/ns或者120kV/μs)。

　　圖2.電源轉換器中的開關瞬變