开关电源因其功率密度、效率和可靠性而得到广泛应用。开关电源技术近年来稳步改进。本应用公告回顾了开关电源技术发展的主要里程碑，并探讨了新型2.5 kV MSOP IsoLoop®隔离器的优点，以实现比以往更好的电源。

图1总结了开关电源的发展：

虽然所有类型仍然可用，但开关模式电源已从非同步降压变换器转移同步整流。同步整流已从自同步发展到控制器驱动。大多数开关电源设计都是内部隔离的。同步栅极驱动隔离是最具挑战性的隔离元件在现代开关电源中，已从脉冲变压器迁移到光耦合器，再到数字隔离器，如隔离器自旋电子隔离器。

非同步降压变换器
非同步降压变换器依靠二极管进行整流，通常是肖特基二极管，因为与传统硅二极管相比，其压降较低。二极管正向压降会降低效率，但固有的限制会阻止二极管正向电压降低到约0.3伏以下。随着开关电源电压的降低，二极管损耗变得更加显著。

同步整流
同步整流使用MOSFET来整流波形。与二极管不同，MOSFET压降是欧姆的，没有固有的下限。同步整流可以是自同步或控制器同步

自同步整流
自驱动同步整流依赖于交流波形来切换MOSFET。四个MOSFET的电桥提供全波整流。这种配置不需要任何额外的电子设备。然而，由于开关MOSFET所需的电压，整流与交流波形过零不完全同步，导致效率低下。此外，栅极电压并不总是足以驱动MOSFET达到其最小导通电阻，这意味着效率更低。

控制器驱动的同步整流 

控制器驱动的同步整流使用来自脉宽调制控制器的信号来驱动 整流MOSFETs。这样可以与交流波形实现近乎完美的同步，从而最大限度地提高效率。 它还只需要两个MOSFETs，而不是四个。要求苛刻的应用使用控制器驱动整流，因为它提供最大的效率、最小的尺寸， 和最低限度的加热。然而，控制器驱动整流带来了额外的高速挑战 MOSFET栅极驱动器与控制器隔离。

电气隔离
在大多数应用中，电源输出必须与输入进行电气隔离，以确保安全，并防止噪声和接地回路。开关电源可以使用外部隔离变压器或内部隔离。外部隔离越来越不常见，因为它需要一个大型变压器。220/240伏开关电源内部隔离元件的关键机构要求为1分钟2.5 kVRMS。所需的隔离电压比电源电压高一个数量级以上，以确保浪涌和瞬态的裕度。

图2中的典型开关电源电路显示了通常必须穿过开关电源隔离栅的三个信号：变压器将脉宽调制控制器与输出电压隔离；输出误差放大器提供隔离反馈；和两个隔离通道来驱动同步门驱动器。

隔离元件
三个隔离元件中的每一个都有不同的要求。变压器本身是隔离的，其宏观尺寸使高隔离电压变得简单。隔离模拟误差反馈系统需要精确，因为它限制了输出精度，但不需要高线性或精度，因为它是闭环系统的一部分。该元件不需要高速，因为误差是直流的，反馈只需要足够快，以适应线路和负载变化、元件漂移和环境变化。将控制器与MOSFET栅极驱动器隔离可能是现代开关电源中最具挑战性的隔离元件。与交流波形的精确同步对效率至关重要，因此这些隔离器必须比开关频率快得多。最小化脉宽失真使死区时间最小化，并允许在更多的开关周期内进行能量传输。隔离器的延迟或失真也会导致FET在交流波形过零后切换。这会导致瞬态，从而导致虚假开关。具有讽刺意味的是，隔离器本身可能容易受到这些共模瞬态的影响。因此，除了速度和失真外，瞬态抗扰度也是栅极驱动器隔离器的一个重要优点。

闸门驱动器隔离器

常见的栅极驱动器隔离器选项有脉冲变压器、光耦和数字隔离器。

脉冲变压器
在同步开关电源的早期，栅极驱动变压器用于栅极驱动隔离。优点是变压器有时可以传输足够的功率来直接驱动MOSFET，变压器通常坚固耐用，具有高隔离电压和良好的长期可靠性。不幸的是，它们比光耦合器或固态隔离器大。此外，由于它们是感应式的，因此只能传输限制控制范围的有限脉冲宽度。

光耦元件
光耦合器没有栅极驱动变压器的脉冲宽度限制，并且往往更小。对于EMI来说，他们也有“安静”的优势。另一方面，光耦相对较慢，导致驱动波形失真和整流不精确。它们还具有相对较低的瞬态抗扰度，使其易受寄生开关的影响。最后，随着时间的推移，光耦合器往往会漂移并最终失效，因为它们的LED会退化。有限的使用寿命尤其成问题。尽管存在局限性，但由于下一代数字隔离器不太适合模拟信号，光耦合器仍然流行于隔离模拟误差反馈。

数字隔离器
非光学数字隔离器正在许多应用中取代光耦和脉冲变压器，包括栅极驱动隔离。它们通常比光耦更快，具有更高的瞬态抗扰度和更长的工作寿命。三种数字隔离器类型用于栅极隔离：电感式、电容式和自旋电子式。感应隔离器使用射频载波通过微型天线或变压器传输数据。其中许多器件比光耦快，但载波频率限制了脉冲位置精度。它们通常也比光耦小，具有更高的瞬态抗扰度和更长的工作寿命。这些设备中的隔离栅限制了其使用寿命。屏障是非常薄（小于千分之一英寸）的聚合物或氧化物。屏障必须承受高电压，并且小尺寸使其容易发生扩散或局部放电故障。感应数字隔离器的工作寿命为50到100年，比光耦长，但统计数据表明，任何特定设备的故障几率都要快得多。电容隔离器使用变化的电场通过隔离栅传输数据。与感应隔离器一样，这需要高频信号，导致不精确和电磁干扰。由于寿命规格为13年，可用的电容隔离器不如其他数字隔离器可靠。

如图3所示，NVE的IsoLoop自旋电子隔离器使用磁性而非光传输数据，具有速度和精度优势。由于没有射频载波或刷新时钟，自旋电子隔离器辐射的电磁干扰很小。这对于满足EN55022-B或FCC Part B等标准非常重要。与其他数字隔离器一样，隔离器使用薄屏障，通过独特的陶瓷/聚合物复合屏障克服可靠性问题。IsoLoop隔离器寿命规定为44000年，因此这些部件对开关电源的整体故障率没有显著影响。

未来趋势
开关电源有望继续变得更小、更高效、更可靠。

更小
制造商正在缩减开关电源组件。例如，图2中的PWM控制器和栅极驱动器均采用小型无铅封装（WQFN-24中的LM5035和WSON-10中的LM5110）。MSOP-8和2.5 kV隔离器是SOIC-8隔离器占地面积的一半，而SOIC-8隔离器此前是可用的最小2.5 kV隔离器。更快的电子设备和更高的工作频率将允许更小的电感元件。

更高效
MOSFET制造商正在不断降低漏源电阻以最大限度地减少损耗，并降低总栅极电荷以提高速度。栅极驱动器也变得更快，因此效率更高。

更可靠
误差放大器隔离正成为开关电源可靠性的薄弱环节。混合数字隔离放大器（即，由隔离器分隔的模数调制器和解调器）可能变得足够精确和廉价，以取代广泛使用的模拟光耦合器。更多的还正在开发模拟自旋电子耦合器。