電磁爐由于操作簡(jiǎn)單且價(jià)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(yàn)證,，但是在設(shè)計(jì)電磁爐應(yīng)用電路時(shí),，設(shè)計(jì)人員必須掌握不同范圍的物理原理和設(shè)計(jì)技術(shù)。雖然電磁爐實(shí)現(xiàn)的原理相對(duì)簡(jiǎn)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(hào)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(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的隔離：

一個(gè)安全的系統(tǒng)必須能夠滿足至少上述兩個(gè)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(jí)驅(qū)動(dòng)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(chǎng),。在將金屬鍋置于磁場(chǎng)中時(shí),，則會(huì)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(diǎn)來看，電感元件驅(qū)動(dòng)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。

圖1 電感加熱系統(tǒng)

電感中的電流由一個(gè)高效率的開關(guān)直流電源和一對(duì)IGBT開關(guān)產(chǎn)生,。IGBT開關(guān)由微控制器驅(qū)動(dòng),，微控制器響應(yīng)反饋回路的信號(hào)進(jìn)行操作，反饋回路根據(jù)用戶設(shè)置的條件調(diào)整傳感器的監(jiān)測(cè),，使它保持在安全限度內(nèi),。

變壓器是主傳感器，它與電磁爐磁板串聯(lián)連接,，監(jiān)測(cè)流過磁板的電流值,，以便于針對(duì)用戶選擇的烹飪選項(xiàng)保持適當(dāng)?shù)碾娏髦怠Ｔ诒匾獣r(shí)降低電流,，以避免出現(xiàn)過流條件,，這可以防止損壞功率級(jí)，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(jí)不能由固定頻率設(shè)定。一種更有效的方法是通過電流測(cè)量確定的功耗,，以此設(shè)定加熱的等級(jí),。微控制器通過反饋回路調(diào)節(jié)電流，使其對(duì)應(yīng)于用戶選擇的加熱等級(jí),。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(jì)人員應(yīng)事先了解每個(gè)加熱等級(jí)所對(duì)應(yīng)的電流大小，繼而只需簡(jiǎn)單地對(duì)微控制器編程以調(diào)節(jié)PWM頻率,，提供適當(dāng)?shù)碾娏鳌?/p>

驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM信號(hào)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(hào)的占空比是固定的（如50%），通過用戶選擇的加熱等級(jí)要求的功率來調(diào)節(jié)該P(yáng)WM信號(hào)的頻率,。

由于在大電流電感電路中可能會(huì)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(jí)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(dòng)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(jí)驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)電路具有很多優(yōu)點(diǎn),。

電流隔離是一種用于防止電流在兩個(gè)連通的電路之間直接流動(dòng)的技術(shù)。使用隔離的主要原因有兩個(gè),，第一個(gè)原因是在人員和設(shè)備暴露于大電壓或電流浪涌時(shí),，對(duì)他們進(jìn)行保護(hù)。第二個(gè)原因是在電路互連牽涉到不同的地電位時(shí),，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(dòng),，但是允許在兩個(gè)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(diǎn)，而且還消除了光耦合器和分立變壓器的缺點(diǎn),。光耦合器的缺點(diǎn)在于功耗過高,，大的定時(shí)誤差，數(shù)據(jù)速率限制以及對(duì)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(shí)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(jí)。該技術(shù)使用申請(qǐng)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,。

圖2 iCoupler技術(shù)解析

iCoupler 技術(shù)提供了五個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

使用iCoupler技術(shù)的IGBT隔離
ADI公司的隔離門級(jí)驅(qū)動(dòng)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(gè)輸出通道之間的隔離，適用于IGBT控制通道的隔離,。

圖3 ADuM1233的功能框圖

輸入電路的功率由隔離電源提供,，并且可能需要一個(gè)或幾個(gè)電壓轉(zhuǎn)換級(jí)。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(jí)驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供高達(dá)100 mA的峰值驅(qū)動(dòng)電流，因此需要額外的增益級(jí),，如圖4中所示,。

圖4 使用iCoupler隔離技術(shù)驅(qū)動(dòng)IGBT

由于兩個(gè)通道之間的定時(shí)關(guān)系是十分重要的，而且PWM信號(hào)在反相階段驅(qū)動(dòng)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(gè)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,。

圖5 匹配通道的傳播延遲是電源電壓的函數(shù)
（a）輸出電壓（b）輸入電壓

這種定時(shí)容限確保了IGBT的全互補(bǔ)開關(guān)操作,，提高了功率級(jí)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(gè)輸出電路之間真正的電流隔離,。每個(gè)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。

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(cè)商標(biāo)）串聯(lián)實(shí)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(duì)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(gè)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(hào),，那么這一低成本的優(yōu)點(diǎn)是不起作用的,。因?yàn)楸仨殞2C總線每個(gè)連接線上的傳送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行隔離，因此就要使用四個(gè)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(hào)，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(shí)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(jì)復(fù)雜度。圖6所示的ADuM1250和ADuM1251實(shí)現(xiàn)了真正的雙向隔離,，并且集成了用于消除毛刺信號(hào)和鎖定的緩沖器,。這種高度集成的解決方案僅需兩個(gè)旁路電容和兩對(duì)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(qǐng)參考應(yīng)用筆記AN-913“PC接口隔離”,。

圖6 熱插拔雙向I2C隔離器ADuM1250

鍋檢測(cè)
檢測(cè)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(duì)該高壓信號(hào)采樣,，將信號(hào)發(fā)送到微控制器,，以檢測(cè)IGBT集電極處電壓的任何變化。如果用戶選定了加熱等級(jí)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(shí),，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(cè)電磁爐上是否存在鍋。如果沒有檢測(cè)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(shí),，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(gè)實(shí)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(shí)例,。欲了解iCoupler技術(shù)的更多信息,，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/iCoupler。