基于微型变压器的电磁隔离式DC/DC转换器测试方法

孙曦东

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳 110032）

基于微型变压器的电磁隔离式DC/DC转换器测试方法

孙曦东

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳 110032）

基于微型变压器的电磁隔离式DC/DC转换器与传统光耦相比，在很多方面具有明显优势，因此在国内各领域的应用越来越广泛，大有全面取代之势。但其微型变压器的设计和制造技术还是一项前沿的微电子技术，在封装上，为了实现芯片输入/输出两端的高压隔离性能，都采用多片封装方式。以ADI公司的ADUM540x系列电路为例，就其重要电特性参数做测试方面的探讨，为同行业提供借鉴参考。

微型变压器；磁隔离；DC/DC ADUM540x；测试

1 引言

目前，硅基微型变压器的设计和制造技术是一项前沿的微电子技术，国内方面的研究目前几乎处于空白。在封装技术上，为了实现芯片输入/输出两端的高压隔离性能，采用传统的单片式硅基隔离技术是无法满足要求的。目前，所有数字隔离芯片都是采用多片封装方式，这是实现高压隔离能力的一个重要手段。在应用上，基于微型变压器的电磁隔离式DC/DC转换器，以ADI公司的iCoupler芯片级变压器技术系列产品ADUM540x为代表，能够同时隔离逻辑信号和DC/DC转换器的磁性元件，由于满足小尺寸、低功耗完全隔离的解决方案，得以在RS-232/RS-422/RS-485收发器、工业现场总线隔离、电源启动偏置和栅极驱动、隔离传感器接口及工业PLC上得到广泛应用。为了保证此类电路的电特性符合国家相关行业标准，下面就以ADI公司的ADUM540x产品为例，探讨一下其测试方法。

2 功能概述

ADUM540x系列产品（ADUM5401/ ADUM5402/ ADUM5403/ADUM5404）均为集成isoPower隔离式DC/DC转换器的4通道数字隔离器，具有4个独立的隔离通道，支持多种不同的通道配置和数据速率，利用高频开关元件，通过其变压器传输功率，其DC-DC转换器部分的工作原理与当今大多数电源相同。它采用副边控制器结构，集成隔离脉宽调制（PWM）反馈。VDD1为振荡电路提供电源，该电路将开关电流输入一个芯片级空芯变压器。传输至副边的电源经过整流并调整到3.3 V或5 V。副边（VISO）控制器通过产生PWM控制信号调整输出，该控制信号通过专用iCoupler数据通道被送到原边（VDD1）。PWM调制振荡电路来控制传送到副边的功率。通过反馈可以实现更高的功率和效率。其功能框图和电路信号传输结构框图如图1、图2。

图1 功能框图

图2 电路信号传输结构框图

3 测试方法研究

ADUM540x系列电路的测试参数类别可按其结构和数字电特性分为DC-DC转换器电源部分、iCoupler数据通道的直流参数部分和交流参数部分。下面就该系列电路基于微型变压器的电磁隔离式DC/ DC转换设计特点的重要电特性参数进行测试方法探讨，其他参数的测试不一一赘述。

3.1 DC-DC转换器电源部分

ADUM540x的VDD1、原边的数据输入通道和副边的数据通道均受欠压闭锁（UVLO）电路保护，防止过早工作。低于最小工作电压时，电源转换器的振荡器不工作，所有输入通道和刷新电路处于空闲状态。在上电和掉电期间，输出保持高阻态，以防不明状态的传输。在VDD1上电期间，原边电路保持空闲状态，直至达到UVLO阈值为止。此时，数据通道初始化为默认低电平输出状态，直至从副边收到数据脉冲信号。当原边高于UVLO阈值时，数据输入通道开始采样，并将编码脉冲发送到副边输出通道。原边的输出仍然处于默认低电平状态，因为在副边电源建立之前，副边输入不会提供数据。原边振荡器也开始工作，将功率传输至副边电源电路。此时，副边VISO电压低于其UVLO阈值，副边的调节控制信号尚未产生。此时，原边电源振荡器可以自由运行，为副边提供最大功率，直到副边电源电压升至其调节设定点VISO。在VISO空载情况下测得该值。

为了获得最佳负载调整率VISO(LOAD)，建议原边电源5 V时，副边最小负载电流设为10 mA，原边电源3.3 V时，副边最小负载电流设为6 mA。更小的负载可能会因为PWM脉冲较短或不稳而在芯片上产生过大噪声，有可能会破坏数据传输。

ADUM540x的纹波和噪声性能得益于副边电源集成在芯片上，芯片附近的噪声抑制需要一个低电感高频电容，纹波抑制和理想的调整率则需要一个大容量的电容。VDD1的旁路电容可以方便地连接在PIN1和PIN2之间，VISO的旁路电容可以方便地连接在PIN15和PIN16之间。此外，还至少需要并联两个电容。针对VDD1，建议选择电容值是0.1 μF和10 μF的低ESR陶瓷电容。

图3 负载90 mA、VISO=5 V时输出纹波电压

此外，好的测量方法也能切实改善纹波测量的结果。可按照ADI产品参数手册的要求给用于测量的示波器设定合适的带宽上限20 MHz，以避免采到超出纹波带宽上限的高频噪声；还可以通过缩短暴露在电源附近高强度电磁辐射中的探针长度，从而进一步减少高频采集。也可以用探头附件的接地弹簧连接GNDISO，以避免把外界的干扰耦合到示波器内部。测试结果如图3。

3.2 iCoupler数据通道的直流参数部分

VDD1电源输入为iCoupler数据通道和电源转换器供电。因此，无法分别确定数据转换器以及原边和副边I/O通道所产生的静态电流，所有这些静态电流都计为IDD1(Q)电流，见图4。IDD1总电源电流等于静态工作电流、I/O通道所需的动态电流IDD1(D)和所有外部IISO负载之和。一个通道只有以高于刷新速率fr的速度工作时，才会消耗动态I/O电流。各通道的动态电流由其数据速率决定。

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

其中：IDD1为总电源输入电流，IISO为副边外部负载电流，E为VISO在100 mA负载时的电源效率。ICHn为单一通道所产生的电流。

最大外部负载可从最大允许负载中减去动态输出负载得到。

图4 电源功耗图

3.3交流参数部分

传播延迟是指逻辑信号穿过器件所需的时间（见图5）。逻辑低电平输出的传播延迟一般不同于逻辑高电平输出的传播延迟。

图5 传输延迟tPHL，tPLH

脉冲宽度失真指这两个传播延迟值的最大差异，反映了磁隔离条件下输出波形相对于输入信号的保持精度。传输延迟偏移指在相同条件下测试多个电路，分别取这些电路tPLH或tPHL的差的最大值。通道间匹配指单个ADUM540x电路内各通道的传播延迟之间的最大差异，分为同向通道间匹配和反向通道间匹配，前者指隔离器同侧任意输入通道的传输时间的差的绝对值，后者指隔离器异侧任意输入通道的传输时间的差的绝对值。

瞬态共模抑制能力是衡量ADUM540x系列电路当维持正确的信号传输时输入和输出部分之间的瞬态共模影响。其测试如图6，其中0.01 μF＜C1（C2）＜0.1 μF，C1与C2的电容管脚与器件电源引线之间的距离不要超过20 mm，数据输出端与管脚地之间接15 pF电容，Vpulse的上升沿和下降沿要保证在输入信号是高电平或者是低电平时出现。

VCM(1000 V)=VDC(600 V)+Vpulse(瞬变电压800 V)/2

CM(35 kV/μs)=Vpulse(瞬变电压800 V)/22.85 ns

图6 瞬态共模抑制能力测试电路图

4 结束语

以上探讨的和磁隔离电路相关的电特性参数究竟哪个更重要，还要结合实际应用情况而定。

在可靠性、寿命、性能、功耗、封装体积、易用性等诸多方面，基于磁隔离技术的磁耦与传统光耦相比，具有明显的优势。随着磁隔离技术在国内各领域的应用越来越广泛，大有全面取代光耦的趋势。本文所做的测试方法探讨，希望能为同行业提供借鉴参考。

[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微电子器件试验方法和程序方法3015静电放电敏感度的分级[S]. 中华人民共和国国家军用标准.

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

孙曦东（1979—），男，山东荣成人，工程师，目前在中国电科集团第47研究所工作，主要研究方向为集成电路测试。

2014-03-24