- IGBT門級驅(qū)動器與用戶接口之間的隔離解決方案
- iCoupler變壓器隔離技術(shù)
電磁爐由于操作簡單且價格低廉，已日益為消費(fèi)者所接受。電磁爐不需要使用明火或者其它直接熱源，而且它們的整體性能更佳，能夠迅速加熱，安全性更高。
雖然目前電感技術(shù)得到了良好的發(fā)展和驗證，但是在設(shè)計電磁爐應(yīng)用電路時，設(shè)計人員必須掌握不同范圍的物理原理和設(shè)計技術(shù)。雖然電磁爐實現(xiàn)的原理相對簡單，但是其技術(shù)卻涉及眾多不同的領(lǐng)域，包括模擬和數(shù)字信號處理、電氣保護(hù)和隔離。
例如，安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用戶接口和電源之間的隔離，其中需要實現(xiàn)三個方面的隔離：
·控制邏輯所需的低壓電源的隔離
·絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）功率級與其控制信號之間的隔離
·用戶控制和系統(tǒng)控制器之間的隔離
一個安全的系統(tǒng)必須能夠滿足至少上述兩個條件。本文將討論幾種創(chuàng)新的解決方案，它們能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT門級驅(qū)動器與用戶接口之間的隔離。
系統(tǒng)說明
電感元件與變壓器類似，能夠產(chǎn)生磁場。在將金屬鍋置于磁場中時，則會產(chǎn)生渦電流，電能轉(zhuǎn)換為熱能，通過金屬的熱傳導(dǎo)來加熱食物。由電學(xué)的觀點來看，電感元件驅(qū)動有損LC諧振電路，損耗產(chǎn)生了熱量。圖1所示電感加熱系統(tǒng)框圖。
變壓器是主傳感器，它與電磁爐磁板串聯(lián)連接，監(jiān)測流過磁板的電流值，以便于針對用戶選擇的烹飪選項保持適當(dāng)?shù)碾娏髦?。在必要時降低電流，以避免出現(xiàn)過流條件，這可以防止損壞功率級，即電磁爐的磁板和IGBT。
由于磁板、鍋和變壓器的電感和電容構(gòu)成了諧振LC電路，因此某些人可能認(rèn)為設(shè)定L和C的值即能夠確定感應(yīng)頻率。但是，電感和電容值以及由此導(dǎo)致的諧振頻率取決于用戶使用的鍋的尺寸、形狀和材料。因此，通過用戶接口選擇的不同的加熱等級不能由固定頻率設(shè)定。一種更有效的方法是通過電流測量確定的功耗，以此設(shè)定加熱的等級。微控制器通過反饋回路調(diào)節(jié)電流，使其對應(yīng)于用戶選擇的加熱等級。微控制器調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）波形的頻率，以適應(yīng)鍋的特征。電磁爐的設(shè)計人員應(yīng)事先了解每個加熱等級所對應(yīng)的電流大小，繼而只需簡單地對微控制器編程以調(diào)節(jié)PWM頻率，提供適當(dāng)?shù)碾娏鳌?br />
驅(qū)動IGBT的PWM信號的典型頻率范圍約20 kHz~100 kHz。相比于MOSFET，IGBT的關(guān)斷特性較慢，其開關(guān)頻率僅為數(shù)十千赫。微控制器提供的PWM信號的占空比是固定的（如50%），通過用戶選擇的加熱等級要求的功率來調(diào)節(jié)該P(yáng)WM信號的頻率。
由于在大電流電感電路中可能會產(chǎn)生大電壓，因此在系統(tǒng)中的關(guān)鍵位置提供電氣隔離是十分重要的。特別是電磁爐的功率級與微控制器和其它數(shù)字電路隔離。一種隔離方法是使用隔離IGBT驅(qū)動器。與傳統(tǒng)的隔離解決方案相比，基于ADI公司創(chuàng)新的iCoupler®技術(shù)的低成本隔離門級驅(qū)動器串聯(lián)電路具有很多優(yōu)點。
電流隔離是一種用于防止電流在兩個連通的電路之間直接流動的技術(shù)。使用隔離的主要原因有兩個，第一個原因是在人員和設(shè)備暴露于大電壓或電流浪涌時，對他們進(jìn)行保護(hù)。第二個原因是在電路互連牽涉到不同的地電位時，避免地回路和破壞性的地電流。在這兩種情況中，隔離技術(shù)可以防止電流流動，但是允許在兩個電路之間傳遞數(shù)據(jù)或功率。
iCoupler技術(shù)（圖2）是一種基于變壓器的隔離技術(shù)。由于集成了微型變壓器和電子電路，因此它具有光耦合器技術(shù)、分立變壓器技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的所有優(yōu)點，而且還消除了光耦合器和分立變壓器的缺點。光耦合器的缺點在于功耗過高，大的定時誤差，數(shù)據(jù)速率限制以及對溫度的敏感性。在基于 iCoupler技術(shù)的產(chǎn)品中，通過在變壓器線圈之間使用20 µm厚的聚酰亞胺絕緣層，實現(xiàn)了滿足安全機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的絕緣。而且，它還能夠?qū)崿F(xiàn)超過5 kV rms的隔離等級。該技術(shù)使用申請專利的刷新電路，在沒有輸入跳變的情況下，通過刷新電路使輸出狀態(tài)輸入狀態(tài)保持匹配，由此消除了分立變壓器的固有缺陷，可以獲得準(zhǔn)確的直流電平。
iCoupler 技術(shù)提供了五個方面的優(yōu)點：
·集成度（尺寸/成本）
·性能
·功耗
·易用性
·可靠性
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使用iCoupler技術(shù)的IGBT隔離
ADI公司的隔離門級驅(qū)動器系列產(chǎn)品采用iCoupler技術(shù)，其中雙通道 ADuM1233（圖3）提供了輸出通道和輸入通道之間的隔離以及兩個輸出通道之間的隔離，適用于IGBT控制通道的隔離。
輸入電路的功率由隔離電源提供，并且可能需要一個或幾個電壓轉(zhuǎn)換級。系統(tǒng)中的微控制器和其他電路部分需要5 V電源，而IGBT電路需要15 V的電源才能有效工作。iCoupler隔離門級驅(qū)動器必須能夠提供高達(dá)100 mA的峰值驅(qū)動電流，因此需要額外的增益級，如圖4中所示。
由于兩個通道之間的定時關(guān)系是十分重要的，而且PWM信號在反相階段驅(qū)動IGBT，因此與LED和光電二極管相比，iCoupler技術(shù)的速度、穩(wěn)定性和可靠性是非常出色的。如圖5的曲線所示，在輸出電壓范圍為12 V~18 V，輸入電源電壓范圍為4.5 V~5.5 V的情況下，兩個通道的上升沿的傳播延遲是匹配的，約為100 ps，而且下降沿的傳播延遲優(yōu)于1 ns。
（a）輸出電壓（b）輸入電壓
這種定時容限確保了IGBT的全互補(bǔ)開關(guān)操作，提高了功率級和整體系統(tǒng)的效率。
如上所述，ADuM1233提供了輸入電路和輸出電路之間以及兩個輸出電路之間真正的電流隔離。每個隔離輸出通道可以在與輸入電路電壓相差±700 V的電壓下工作，因此支持低端電源的負(fù)電壓（圖4中的-HV）。高端電源軌和低端電源軌（+HV和-HV）之間的電壓差必須不大于700 V，這與電磁爐使用的典型電壓軌兼容。
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使用iCoupler技術(shù)隔離用戶接口
如果采用電容鍵盤，那么可以利用SPI（Motorola公司提出的串行外圍接口）或者I2C（集成電路間總線，飛利浦半導(dǎo)體公司的注冊商標(biāo)）串聯(lián)實現(xiàn)微控制器和ADI公司的AD7147或AD7148電容鍵盤控制器之間的接口。雙向I2C®接口通常用于數(shù)據(jù)速率相對低的短程通信，在這些應(yīng)用中，低成本是關(guān)鍵因素，而I2C僅使用兩個雙向連接線就可滿足低成本要求。但是，如果采用光耦合器隔離I2C 總線，由于光耦合器是單向的，不能處理雙向信號，那么這一低成本的優(yōu)點是不起作用的。因為必須將I2C總線每個連接線上的傳送信號和接收信號進(jìn)行隔離，因此就要使用四個光耦合器來隔離四條連接線。此外，還需要使用專用的緩沖器消除隔離接口中的鎖定和毛刺信號，這些額外的元件增加了成本和復(fù)雜度，并且占用了較大的電路板面積。
iCoupler技術(shù)實現(xiàn)的集成隔離解決方案以較低的成本降低了電路板尺寸要求和設(shè)計復(fù)雜度。圖6所示的ADuM1250和ADuM1251實現(xiàn)了真正的雙向隔離，并且集成了用于消除毛刺信號和鎖定的緩沖器。這種高度集成的解決方案僅需兩個旁路電容和兩對上拉電阻（I2C標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定），并且能夠以較低的成本提供I2C接口。有關(guān)這些器件的使用細(xì)節(jié)，請參考應(yīng)用筆記AN-913“PC接口隔離”。
鍋檢測
檢測電磁爐上是否存在鍋是十分重要的。IGBT必須管理連接到其集電極（+HV）的高壓軌。使用電阻分壓器對該高壓信號采樣，將信號發(fā)送到微控制器，以檢測IGBT集電極處電壓的任何變化。如果用戶選定了加熱等級并且將鍋放置在電磁爐上，那么由此導(dǎo)致的電能傳輸和電流尖峰將使集電極處的電壓變化，并且引起電阻分壓器輸出端處的電壓變化。在將鍋從電磁爐上拿開時，這些變化將以相反的方向發(fā)生。因此，通過比較電壓變化與固定閾值，例如ADI公司的 ADCMP3xx系列比較器，就可以檢測電磁爐上是否存在鍋。如果沒有檢測到，那么將中斷發(fā)送到微控制器，微控制器調(diào)節(jié)PWM的頻率直至IGBT停止向電感元件提供電流，在用戶忘記關(guān)閉電磁爐時，這一特性提供了額外的安全保護(hù)。
結(jié)論
電磁爐技術(shù)是ADI公司iCoupler數(shù)字隔離器件眾多應(yīng)用的一個實例。如今iCoupler全系列產(chǎn)品可用于通用數(shù)字隔離應(yīng)用和專用應(yīng)用。產(chǎn)品選型表中列出了某些實例。欲了解iCoupler技術(shù)的更多信息，請訪問www.analog.com/iCoupler。
