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作者：Ryan Manack 業(yè)務(wù)主管德州儀器 (TI) 電子設計人員使用的工具箱日新月異。要找到適合工作的工 具，不僅需要了解手頭上的任務(wù)和現有工具，還要知道如何 充分利用這些工具。 對于設計人員來(lái)說(shuō)，在隔離柵內移動(dòng)信號和電源是一項常見(jiàn) 的挑戰。為了提高安全性和抗噪性能，或產(chǎn)生較大的電勢差， 可能需要在不同的系統域之間進(jìn)行隔離。例如，手機充電器通 過(guò)內部隔離，可在連接器短路時(shí)防止用戶(hù)觸電。 在工廠(chǎng)機器人等其他應用中，敏感控制電路單獨接地，并與產(chǎn) 生較大直流電流、噪聲和接地反彈的電機隔離。 通常在整個(gè)隔離柵中進(jìn)行通信和感應。具有控制器局域網(wǎng) (CAN) 或 CAN 靈活數據速率 (FD) 協(xié)議通信的汽車(chē)應用，通過(guò) 集成了隔離組件和收發(fā)器組件的隔離式 CAN 收發(fā)器，可將這 類(lèi)信號與汽車(chē)的高壓側 隔離。工業(yè)應用也可以使用 CAN 協(xié)議和 RS-485 協(xié)議實(shí)現長(cháng) 距離串行通信。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號類(lèi)似，設計人員 可使用專(zhuān)為 RS-485 協(xié)議設計的隔離式收發(fā)器。保護繼電器使 用隔離式電流和電壓傳感器感應整個(gè)電網(wǎng)中的電力輸送。牽引逆變器和電機驅動(dòng)器接收電機控制器發(fā)出的 脈寬調制信號，然后信號經(jīng)過(guò)隔離器向柵極驅動(dòng)器發(fā)出開(kāi)啟 或關(guān)閉絕緣柵雙極晶體管的指令。 通過(guò)提供從隔離柵一側到另一側的偏置電源，隔離式偏置轉 換器可實(shí)現隔離通信和感應。電流和電壓傳感器、數字隔離器 和柵極驅動(dòng)器通常需要 15W 以下甚至低至幾十毫瓦的電源。 圖 1 所示為上述每種應用的示例。 隔離式直流/直流偏置電源要求 無(wú)論是具有外部電源開(kāi)關(guān)的控制器、將一個(gè)控制器與多個(gè)電 源開(kāi)關(guān)集成的轉換器，還是將多個(gè)控制器、電源開(kāi)關(guān)和變壓器 集成為一體的電源模塊， 都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。由于偏置電源 解決方案種類(lèi)廣泛，涉及的應用也是多種多樣，為了以超低成 本符合各類(lèi)規范，全面了解各種應用要求是非常重要的。 
圖 1. 隔離式偏置應用。 表 1. 隔離式偏置轉換器規范示例
設計人員至少應了解偏置電源輸入電壓范圍、輸出電壓和輸 出功率要求。一些應用將需要多個(gè)偏置電壓，因此確定每個(gè)輸 出的 可接受調節范圍至關(guān)重要。隔離等級、環(huán)境工作溫度范圍、電 磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 等系統要求會(huì )進(jìn)一步驅動(dòng) 設計決策。表 1 從極為廣泛的角度展示了隔離式偏置轉換器 的四種示例規范。 下面我們來(lái)看隔離式偏置電源拓撲的部分示例。 反激式 反激式轉換器是一種眾所周知的拓撲結構，數十年來(lái)應用廣 泛。這種電源轉換器具有靈活性和低成本等特點(diǎn)，可用于多種 應用。憑借集成場(chǎng)效應晶體管 (FET) 和初級側控制等增強功 能，這種拓撲結構更加備受矚目。 與正激、推挽和半橋等降壓拓撲相比，反激拓撲僅需要一個(gè)初 級開(kāi)關(guān)、一個(gè)整流器和一個(gè)類(lèi)似變壓器的耦合電感器。 圖 2 所示為轉換器的簡(jiǎn)化原理圖。初級開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)， 輸入電壓則施加在初級繞組上，在變壓器氣隙內儲存能量。在 這種情況下，僅輸出電容器給輸出負載供電。初級開(kāi)關(guān)關(guān)閉 時(shí)，儲存在變壓器中的能量則通過(guò)整流器輸送到次級側，為負 載和輸出電容器供電。
圖 2. 反激式轉換器。 反激式轉換器完全可用作偏置轉換器，原因如下：反激式轉換 器能在一個(gè)轉換級內實(shí)現調節和隔離，也可靈活用于多個(gè)輸 出。您可選擇輸出繞組數量，然后在變壓器上纏繞線(xiàn)圈，來(lái)匹 配您所選的配置。輸出繞組電壓是占空比與初級繞組和次級 繞組匝數比的函數。也可以將每一輸出端作為不同的接地基 準點(diǎn)，從而滿(mǎn)足系統隔離要求。反激式轉換器的其他優(yōu)勢包括 成本相對較低、具有寬的輸入輸出工作電壓范圍。 為了實(shí)現最佳性能，應對反激式變壓器進(jìn)行合理設計。變壓器 應良好耦合且漏感低，從而提高效率、實(shí)現最優(yōu)調節，尤其是 在多輸出的情況下。 此外，還有必要限制初級側與次級側間 的寄生電容，從而防止產(chǎn)生過(guò)多的電磁干擾 (EMI)。 Fly-Buck 轉換器 Fly-Buck 轉換器是德州儀器 (TI) 用于搭建隔離式偏置電源 的專(zhuān)用拓撲，其工作輸入電壓可高達 100V。 與反激式轉換器一樣，金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 通常集成在集成電路 (IC) 中，可輕松實(shí)現初級側 控制。 圖 3 所示為 Fly-Buck轉換器。 此拓撲采用同步降壓轉 換器與耦合電感器，可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)隔離式輸出。高側開(kāi)關(guān) 打開(kāi)時(shí)，初級側作為降壓轉換器運行，而次級繞組電流為零。 高側開(kāi)關(guān)關(guān)閉且低側開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，初級側利用其儲存的能量 對次級側供電。
圖 3. Fly-Buck 轉換器。 同步降壓轉換器非常普遍，因此 Fly-Buck 轉換器拓撲備受青 睞。由于反饋環(huán)路可在初級輸出電壓處閉合，因此該轉換器無(wú) 需附加的輔助繞組或光耦合器 進(jìn)行控制。耦合電感結構靈活，匝數比、隔離等級、次級繞組數 和 PWM 占空比均可控，因此適用于各種應用。 與反激式轉換器一樣，耦合電感器也必須合理設計。一定要注 意控制漏感和初級側與次級側間的寄生電容。對于需要 100V 以上輸入的應用，您可以使用具有外部 MOSFET 的 Fly-Buck 轉換器。 推挽式變壓器驅動(dòng)器 推挽式變壓器驅動(dòng)器是適用于低噪聲、小型隔離式電源的常 用解決方案，由具有嚴格電壓調節功能的輸入軌供電，開(kāi)環(huán)運 行，固定占空比 50%。MOSFET 集成到 IC 中，可實(shí)現緊湊的 磁解決方案。 圖 4 所示為推挽式拓撲。 推挽式拓撲是正激式雙端拓撲，有 兩個(gè) MOSFET 作為接地基準，因此無(wú)需外部自舉電路。與單 端正激式轉換器類(lèi)似，FET 的電壓應力是輸入電壓的兩倍。兩 個(gè) MOSFET 每隔半個(gè)周期切換一次，占空比為 50%，驅動(dòng)變 壓器具有中間抽頭的繞組。
圖 4. 推挽式變壓器驅動(dòng)器。 推挽式變壓器驅動(dòng)器是一種普遍的隔離式偏置電源解決方 案，原因如下：它具有靈活性，能支持多路輸出；其開(kāi)環(huán)配置 省去了反饋環(huán)路，從而簡(jiǎn)化設計。推挽式變壓器具有較低的 初級-次級電容，與反激式和 Fly-Buck 轉換器相比，能降低共 模噪聲。另外，推挽式拓撲能更有效地利用變壓器鐵芯的磁化 電流， 從而實(shí)現比反激式和 Fly-Buck 轉換器更小的磁解決方案。 盡管變壓器驅動(dòng)器具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也應注意權衡利弊。與反 激式和 Fly-Buck 轉換器不同，變壓器驅動(dòng)器不支持寬輸入電 壓范圍，因此需要嚴格調節輸入電壓。由于沒(méi)有閉合環(huán)路，因 此不容易滿(mǎn)足輸出電壓反饋調節要求，可能需要低壓降后置 穩壓器 (LDO)。 電源模塊 電壓模塊具有數十年的發(fā)展歷史。這類(lèi)解決方案非常普遍，與 分立式實(shí)施方式相比，可顯著(zhù)提高集成度。電源模塊種類(lèi)繁 多，可提供輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、輸出數量、隔離等 級和調節等選項。 圖 5 所示為某電源模塊內部運行的方框圖。 其拓撲包括變壓 器驅動(dòng)器，與分立式拓撲相似。某些器件可能集成一個(gè)輸出 LDO 用于調節。
圖 5. 電源模塊。 電源模塊提供多種選項，可用于大部分隔離式偏置轉換器應 用。由于您無(wú)需規定、設計或選擇變壓器，因此可大大簡(jiǎn)化設 計過(guò)程；只需加入輸入和輸出去耦電容器即可開(kāi)始設計。同 樣，也提供同步、輸出電壓選擇、使能和錯誤信令等其他選項。 您在使用專(zhuān)門(mén)配置輸出數量和變壓器匝數比的模塊時(shí)，靈 活性可能會(huì )有所降低。與額定環(huán)境溫度為 125°C 的模塊相 比，55°C 和 85°C 選項的模塊更受青睞。同樣地，采用完全增 強型隔離的模塊數量也不及采用功能型或基本隔離的模塊。 下一代偏置解決方案 變壓器設計創(chuàng )新和更高頻率的拓撲允許 IC 設計人員將變壓 器和硅芯片集成到一個(gè) IC 中。終端用戶(hù)無(wú)需設計變壓器或降 低系統性能，即可獲得小型輕量級的隔離式直流/ 直流偏置電源。 圖 6 所示為德州儀器 (TI) 偏置電源的方框圖。 UCC12050.盡管 UCC12050 看起來(lái)與具有集成功率級和整 流器的電源模塊類(lèi)似，但研究 UCC12050 的運行后發(fā)現，其 開(kāi)關(guān)頻率比電源模塊高很多。 與開(kāi)關(guān)頻率較低的其他電源相比，UCC12050 的高度和重量 都顯著(zhù)降低。使用內部拓撲控制方案，無(wú)需 LDO 或外部反饋 組件即可實(shí)現閉環(huán)運行。
圖 6. UCC12050 隔離式直流/直流偏置電源。 UCC12050 為各種隔離式直流/直流偏置電源應用帶來(lái)很多 優(yōu)勢。其設計使用 EMI 優(yōu)化型變壓器，初級側與次級側之間 的電容僅為 3.5pF，采用噪聲控制方案。無(wú)需鐵氧體磁珠或 LDO，雙層 PCB 解決方案本身即符合 CISPR32 B 類(lèi)標準。該 器件性能強勁，增強型隔離額定值為 5kVrms，額定工作電壓 為 1.2kVrms，可在 125°C 環(huán)境溫度下運行。該器件系列還包 括 UCC12040，其基本隔離額定值為 3kVrms，額定工作電壓 為 800Vrms。 UCC12050 專(zhuān)用于 5V 輸入、3.3V 至 5.4V 輸出、功率為 500mW 的應用。要求更高輸入或輸出電壓的應用將需要前 置或后置轉換功能。此外，對于要求功率在 UCC12050 降額 曲線(xiàn)以上的設計，應了解替代拓撲。 表 2 對上述各種拓撲進(jìn)行了比較。 很明顯，具有外部變壓器 的拓撲能帶來(lái)最大的靈活性，而電源模塊和 UCC12050 簡(jiǎn) 便易用。
表 2. 隔離式偏置電源拓撲對比。 結論 您身邊有許多隔離式電源可以選擇，但需要了解輸出數量、調 節要求、輸出功率、隔離等級、工作溫度和輸入電壓范圍等系 統級規格。為此，您可以選擇這種成本最低、可滿(mǎn)足所有系統 要求的解決方案。 |
