基于微型變壓器的電磁隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器測試方法

孫曦東

（中國電子科技集團公司第47研究所，沈陽 110032）

基于微型變壓器的電磁隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器測試方法

孫曦東

（中國電子科技集團公司第47研究所，沈陽 110032）

基于微型變壓器的電磁隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)光耦相比，在很多方面具有明顯優(yōu)勢，因此在國內(nèi)各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，大有全面取代之勢。但其微型變壓器的設(shè)計和制造技術(shù)還是一項前沿的微電子技術(shù)，在封裝上，為了實現(xiàn)芯片輸入/輸出兩端的高壓隔離性能，都采用多片封裝方式。以ADI公司的ADUM540x系列電路為例，就其重要電特性參數(shù)做測試方面的探討，為同行業(yè)提供借鑒參考。

微型變壓器；磁隔離；DC/DC ADUM540x；測試

1 引言

目前，硅基微型變壓器的設(shè)計和制造技術(shù)是一項前沿的微電子技術(shù)，國內(nèi)方面的研究目前幾乎處于空白。在封裝技術(shù)上，為了實現(xiàn)芯片輸入/輸出兩端的高壓隔離性能，采用傳統(tǒng)的單片式硅基隔離技術(shù)是無法滿足要求的。目前，所有數(shù)字隔離芯片都是采用多片封裝方式，這是實現(xiàn)高壓隔離能力的一個重要手段。在應(yīng)用上，基于微型變壓器的電磁隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，以ADI公司的iCoupler芯片級變壓器技術(shù)系列產(chǎn)品ADUM540x為代表，能夠同時隔離邏輯信號和DC/DC轉(zhuǎn)換器的磁性元件，由于滿足小尺寸、低功耗完全隔離的解決方案，得以在RS-232/RS-422/RS-485收發(fā)器、工業(yè)現(xiàn)場總線隔離、電源啟動偏置和柵極驅(qū)動、隔離傳感器接口及工業(yè)PLC上得到廣泛應(yīng)用。為了保證此類電路的電特性符合國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，下面就以ADI公司的ADUM540x產(chǎn)品為例，探討一下其測試方法。

2 功能概述

ADUM540x系列產(chǎn)品（ADUM5401/ ADUM5402/ ADUM5403/ADUM5404）均為集成isoPower隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的4通道數(shù)字隔離器，具有4個獨立的隔離通道，支持多種不同的通道配置和數(shù)據(jù)速率，利用高頻開關(guān)元件，通過其變壓器傳輸功率，其DC-DC轉(zhuǎn)換器部分的工作原理與當(dāng)今大多數(shù)電源相同。它采用副邊控制器結(jié)構(gòu)，集成隔離脈寬調(diào)制（PWM）反饋。VDD1為振蕩電路提供電源，該電路將開關(guān)電流輸入一個芯片級空芯變壓器。傳輸至副邊的電源經(jīng)過整流并調(diào)整到3.3 V或5 V。副邊（VISO）控制器通過產(chǎn)生PWM控制信號調(diào)整輸出，該控制信號通過專用iCoupler數(shù)據(jù)通道被送到原邊（VDD1）。PWM調(diào)制振蕩電路來控制傳送到副邊的功率。通過反饋可以實現(xiàn)更高的功率和效率。其功能框圖和電路信號傳輸結(jié)構(gòu)框圖如圖1、圖2。

圖1 功能框圖

圖2 電路信號傳輸結(jié)構(gòu)框圖

3 測試方法研究

ADUM540x系列電路的測試參數(shù)類別可按其結(jié)構(gòu)和數(shù)字電特性分為DC-DC轉(zhuǎn)換器電源部分、iCoupler數(shù)據(jù)通道的直流參數(shù)部分和交流參數(shù)部分。下面就該系列電路基于微型變壓器的電磁隔離式DC/ DC轉(zhuǎn)換設(shè)計特點的重要電特性參數(shù)進行測試方法探討，其他參數(shù)的測試不一一贅述。

3.1 DC-DC轉(zhuǎn)換器電源部分

ADUM540x的VDD1、原邊的數(shù)據(jù)輸入通道和副邊的數(shù)據(jù)通道均受欠壓閉鎖（UVLO）電路保護，防止過早工作。低于最小工作電壓時，電源轉(zhuǎn)換器的振蕩器不工作，所有輸入通道和刷新電路處于空閑狀態(tài)。在上電和掉電期間，輸出保持高阻態(tài)，以防不明狀態(tài)的傳輸。在VDD1上電期間，原邊電路保持空閑狀態(tài)，直至達到UVLO閾值為止。此時，數(shù)據(jù)通道初始化為默認低電平輸出狀態(tài)，直至從副邊收到數(shù)據(jù)脈沖信號。當(dāng)原邊高于UVLO閾值時，數(shù)據(jù)輸入通道開始采樣，并將編碼脈沖發(fā)送到副邊輸出通道。原邊的輸出仍然處于默認低電平狀態(tài)，因為在副邊電源建立之前，副邊輸入不會提供數(shù)據(jù)。原邊振蕩器也開始工作，將功率傳輸至副邊電源電路。此時，副邊VISO電壓低于其UVLO閾值，副邊的調(diào)節(jié)控制信號尚未產(chǎn)生。此時，原邊電源振蕩器可以自由運行，為副邊提供最大功率，直到副邊電源電壓升至其調(diào)節(jié)設(shè)定點VISO。在VISO空載情況下測得該值。

為了獲得最佳負載調(diào)整率VISO(LOAD)，建議原邊電源5 V時，副邊最小負載電流設(shè)為10 mA，原邊電源3.3 V時，副邊最小負載電流設(shè)為6 mA。更小的負載可能會因為PWM脈沖較短或不穩(wěn)而在芯片上產(chǎn)生過大噪聲，有可能會破壞數(shù)據(jù)傳輸。

ADUM540x的紋波和噪聲性能得益于副邊電源集成在芯片上，芯片附近的噪聲抑制需要一個低電感高頻電容，紋波抑制和理想的調(diào)整率則需要一個大容量的電容。VDD1的旁路電容可以方便地連接在PIN1和PIN2之間，VISO的旁路電容可以方便地連接在PIN15和PIN16之間。此外，還至少需要并聯(lián)兩個電容。針對VDD1，建議選擇電容值是0.1 μF和10 μF的低ESR陶瓷電容。

圖3 負載90 mA、VISO=5 V時輸出紋波電壓

此外，好的測量方法也能切實改善紋波測量的結(jié)果?？砂凑誂DI產(chǎn)品參數(shù)手冊的要求給用于測量的示波器設(shè)定合適的帶寬上限20 MHz，以避免采到超出紋波帶寬上限的高頻噪聲；還可以通過縮短暴露在電源附近高強度電磁輻射中的探針長度，從而進一步減少高頻采集。也可以用探頭附件的接地彈簧連接GNDISO，以避免把外界的干擾耦合到示波器內(nèi)部。測試結(jié)果如圖3。

3.2 iCoupler數(shù)據(jù)通道的直流參數(shù)部分

VDD1電源輸入為iCoupler數(shù)據(jù)通道和電源轉(zhuǎn)換器供電。因此，無法分別確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及原邊和副邊I/O通道所產(chǎn)生的靜態(tài)電流，所有這些靜態(tài)電流都計為IDD1(Q)電流，見圖4。IDD1總電源電流等于靜態(tài)工作電流、I/O通道所需的動態(tài)電流IDD1(D)和所有外部IISO負載之和。一個通道只有以高于刷新速率fr的速度工作時，才會消耗動態(tài)I/O電流。各通道的動態(tài)電流由其數(shù)據(jù)速率決定。

IDD1=(IISO×VISO)/(E×VDD1)+ΣICHn；n=1~4 （1）

其中：IDD1為總電源輸入電流，IISO為副邊外部負載電流，E為VISO在100 mA負載時的電源效率。ICHn為單一通道所產(chǎn)生的電流。

最大外部負載可從最大允許負載中減去動態(tài)輸出負載得到。

圖4 電源功耗圖

3.3交流參數(shù)部分

傳播延遲是指邏輯信號穿過器件所需的時間（見圖5）。邏輯低電平輸出的傳播延遲一般不同于邏輯高電平輸出的傳播延遲。

圖5 傳輸延遲tPHL，tPLH

脈沖寬度失真指這兩個傳播延遲值的最大差異，反映了磁隔離條件下輸出波形相對于輸入信號的保持精度。傳輸延遲偏移指在相同條件下測試多個電路，分別取這些電路tPLH或tPHL的差的最大值。通道間匹配指單個ADUM540x電路內(nèi)各通道的傳播延遲之間的最大差異，分為同向通道間匹配和反向通道間匹配，前者指隔離器同側(cè)任意輸入通道的傳輸時間的差的絕對值，后者指隔離器異側(cè)任意輸入通道的傳輸時間的差的絕對值。

瞬態(tài)共模抑制能力是衡量ADUM540x系列電路當(dāng)維持正確的信號傳輸時輸入和輸出部分之間的瞬態(tài)共模影響。其測試如圖6，其中0.01 μF＜C1（C2）＜0.1 μF，C1與C2的電容管腳與器件電源引線之間的距離不要超過20 mm，數(shù)據(jù)輸出端與管腳地之間接15 pF電容，Vpulse的上升沿和下降沿要保證在輸入信號是高電平或者是低電平時出現(xiàn)。

VCM(1000 V)=VDC(600 V)+Vpulse(瞬變電壓800 V)/2

CM(35 kV/μs)=Vpulse(瞬變電壓800 V)/22.85 ns

圖6 瞬態(tài)共模抑制能力測試電路圖

4 結(jié)束語

以上探討的和磁隔離電路相關(guān)的電特性參數(shù)究竟哪個更重要，還要結(jié)合實際應(yīng)用情況而定。

在可靠性、壽命、性能、功耗、封裝體積、易用性等諸多方面，基于磁隔離技術(shù)的磁耦與傳統(tǒng)光耦相比，具有明顯的優(yōu)勢。隨著磁隔離技術(shù)在國內(nèi)各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，大有全面取代光耦的趨勢。本文所做的測試方法探討，希望能為同行業(yè)提供借鑒參考。

[1] Quad-Channel Isolators with Integrated DC-to-DC Converter ADuM5401/ADuM5402/ADuM5403/ADuM 5404.pdf [P]. 2008 Analog Devices,Inc.All rights reserved.

[2] GJB548B-2005微電子器件試驗方法和程序方法3015靜電放電敏感度的分級[S]. 中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).

Research on Magnetic Isolation DC/DC Converter Testing Method

SUN Xidong
（China Electronics Technology Group Corporation No.47Research Institute,Shenyang110032,China）

Compared with traditional optical coupler, magnetic isolation DC/DC converter based on microtransformer, has obvious advantages in many aspects. It tends to take the place of optical coupler. The design and manufacturing technology of the microtransformer is still at a front edge. On the packaging, multi chip packaging has been adopted to realize the high voltage isolation performance. Some important electrical parameters on ADUM540x series circuits of ADI are taken to discuss for providing some testing references.

microtransformer; magnetic isolation; DC/DC ADUM540x; testing

TN407

A

1681-1070（2014）08-0025-03

孫曦東（1979—），男，山東榮成人，工程師，目前在中國電科集團第47研究所工作，主要研究方向為集成電路測試。

2014-03-24