《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于片上變壓器隔離的高CMTI編解碼電路
電子技術(shù)應(yīng)用
劉甲俊，李飛
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所
摘要： 隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展，GaN和SiC等新型功率開(kāi)關(guān)管得到了廣泛的應(yīng)用，新型功率管較快的開(kāi)關(guān)速度使得驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)電壓dV/dt最高至200 V/ns，造成功率管的誤開(kāi)啟。為提高隔離驅(qū)動(dòng)的共模瞬變抗擾度（Common Mode Transient Immunity，CMTI），設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高CMTI的編解碼電路，采用OOK（On-Off Krying）調(diào)制結(jié)構(gòu)，編碼電路采用負(fù)跨導(dǎo)振蕩器結(jié)構(gòu)將信號(hào)的高電位編碼為差分振蕩信號(hào)，解碼電路采用共模點(diǎn)提升電路將差分信號(hào)的共模點(diǎn)穩(wěn)定在VDD/2，僅通過(guò)比較器就可將輸入信號(hào)還原。仿真結(jié)果表明，該編解碼電路輸入信號(hào)的速度可達(dá)143 Mb/s，差分振蕩信號(hào)頻率為644 MHz，典型傳輸延時(shí)為1.2 ns，應(yīng)用在某款隔離驅(qū)動(dòng)芯片中，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)CMTI最高可達(dá)400 V/ns。
中圖分類號(hào)：TN433 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256683
中文引用格式： 劉甲俊，李飛. 一種基于片上變壓器隔離的高CMTI編解碼電路[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(11)：65-70.
英文引用格式： Liu Jiajun，Li Fei. A high CMTI codec circuit based on on-chio transformer isolation[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：65-70.
A high CMTI codec circuit based on on-chio transformer isolation
Liu Jiajun，Li Fei
The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group
Abstract： With the development of the third generation of wide bandgap semiconductor materials, new power switches such as GaN and SiC have been widely used, and the fast switching speed of the new power tubes makes the transient voltage dV/dt of the driver switch up to 200 V/ns, resulting in the false opening of the power tube. In order to improve the Common Mode Transient Immunity (CMTI) of isolated drive, a simple high-CMTI codec circuit is designed, which adopts OOK (On-Off Krying) modulation structure, the coding circuit uses a negative transconductance oscillator structure to encode the high potential of the signal into a differential oscillation signal, and the decoding circuit uses a common-mode point lifting circuit to stabilize the common-mode point of the differential signal at VDD/2. The input signal can be restored only by means of a comparator. The simulation results show that the speed of the input signal of the codec circuit can reach 143 Mb/s, the frequency of the differential oscillation signal is 644 MHz, and the typical transmission delay is 1.2 ns, which is used in an isolated driver chip, and the measured CMTI can reach up to 400 V/ns.
Key words : codec circuits；high CMTI；open key wipe

引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和汽車電子的高速發(fā)展，隔離驅(qū)動(dòng)芯片已廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制與自動(dòng)化領(lǐng)域、通信領(lǐng)域和航空航天等高可靠性應(yīng)用中[1-5]。其中隔離驅(qū)動(dòng)芯片所驅(qū)動(dòng)的硅基功率器件是應(yīng)用最廣泛的功率器件，但是其性能已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行突破。隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展，GaN和SiC等新型功率開(kāi)關(guān)管較于硅基功率器件具有更小的寄生電容、更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的效率，已有替代傳統(tǒng)硅基功率器件的趨勢(shì)。為了充分利用GaN和SiC功率管能提供的高開(kāi)關(guān)頻率，隔離驅(qū)動(dòng)芯片必須提高其控制信號(hào)的頻率，但是頻率的增加會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)點(diǎn)產(chǎn)生較高的dV/dt和dI/dt，CMTI是隔離驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，其決定了芯片的最高工作頻率，為了實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度，必須對(duì)CMTI的影響因素進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)一種高CMTI的編解碼電路。

文獻(xiàn)[6-7]采用變壓器隔離方案，改善了光耦隔離電流不穩(wěn)定的傳輸率和非線性傳輸，提高了CMTI，但是其編解碼方案為脈沖調(diào)制，將信號(hào)的上升沿和下降沿分別編碼為雙脈沖和單脈沖，抗干擾能力差，CMTI上限較低，無(wú)法滿足高開(kāi)關(guān)頻率的CMTI要求。文獻(xiàn)[8]將上升沿和下降沿分別編碼為正負(fù)單脈沖，并利用吉赫茲頻段諧波的發(fā)射器和一個(gè)可以檢測(cè)吉赫茲頻段脈沖的接收器，減小變壓器面積的同時(shí)提升了CMTI，但是CMTI只有35 kV/μs。為解決脈沖調(diào)制CMTI上限較低的問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]采用OOK的編解碼架構(gòu)，編碼電路采用混頻器將輸入信號(hào)和高頻載波信號(hào)組合一起，為提高CMTI，并采用一種具有源零負(fù)載的高性能前置放大器，這種OOK架構(gòu)振蕩器和編碼電路分開(kāi)，并且解碼電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，面積較大。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)一種OOK編解碼結(jié)構(gòu)，編碼電路由振蕩器和混頻器組成，采用振蕩器和編碼電路分離的結(jié)構(gòu)，解碼電路由前置放大器、包絡(luò)檢波器和高通濾波器組成，這種結(jié)構(gòu)提高了CMTI，但是消耗了功耗和面積。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于片上變壓器隔離傳輸?shù)募軜?gòu)，設(shè)計(jì)一種高CMTI的編解碼電路，為了提升CMTI，編解碼電路采用開(kāi)關(guān)鍵控架構(gòu)，編碼電路將信號(hào)的高電平編碼為差分的振蕩信號(hào)，并設(shè)計(jì)共模點(diǎn)提升電路提升衰減后的振蕩幅度。為了減小電路的面積和功耗，編碼電路采用負(fù)跨導(dǎo)振蕩器結(jié)構(gòu)，解碼電路采用一個(gè)比較器就可以將輸入信號(hào)還原。


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作者信息：

劉甲俊，李飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 204135）


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