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作者：Thong Anthony Huynh，技術(shù)團隊主要成員 問(wèn)題： 無(wú)光耦解決方案如何幫助應對隔離式DC-DC設計挑戰？ 
答案： 幸好，有一種全新的無(wú)光耦反激式DC-DC轉換器解決方案，可省去光耦合器和相關(guān)反饋電路，并且無(wú)需使用第三變壓器繞組。新解決方案還帶來(lái)了新的輸出電壓精度基準。 簡(jiǎn)介 出于安全原因或為了確保復雜系統正常工作，我們有時(shí)需要使用隔離式DC-DC解決方案。傳統的隔離解決方案會(huì )使用光耦合器和附加電路，或者復雜的變壓器設計，以形成跨越隔離柵的反饋環(huán)路，從而調節輸出電壓。各種附加元件使設計變得復雜而龐大。光耦合器會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而退化，降低系統的可靠性。此外，終端設備的外形尺寸越來(lái)越小，給電源所留的空間很有限，增加了散熱管理的難題。在開(kāi)始新的隔離式DC-DC設計時(shí)，系統工程師必須解決所有這些難題。系統工程師需要一種體積小、成本低、高度可靠且易于設計的解決方案�，F在，您可以使用無(wú)光耦解決方案簡(jiǎn)化設計并縮小解決方案尺寸。 在什么情況下使用隔離式DC-DC轉換器？為什么？ 各行各業(yè)（比如工廠(chǎng)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、電動(dòng)汽車(chē)、汽車(chē)電子、航空電子、醫療設備、商業(yè)設備等）中的許多電力系統都會(huì )采用隔離式DC-DC轉換器，原因有三： 安全：防止浪涌電流 損壞設備并防止人員受到主電源的傷害。圖1顯示了一個(gè)主電源與次級隔離的電力系統，其中操作人員可能會(huì )接觸到次級。如果沒(méi)有適當的安全隔離措施，發(fā)生雷擊時(shí)，極高的浪涌電壓可能會(huì )通過(guò)設備沖擊操作人員和地面。其后果幾乎是致命的。此處的隔離柵可以將危險的浪涌能量引回主接地，防止其流向操作人員。
圖1.安全隔離。 避免形成接地環(huán)路：在大型或復雜系統中，不同區域會(huì )存在接地電位差。此處通過(guò)隔離來(lái)避免形成破壞性的接地環(huán)路，并將數字噪聲與精密模擬系統隔離。
圖2.通過(guò)隔離避免形成接地環(huán)路。 電平轉換：有時(shí)，許多電源軌混合組成的系統會(huì )使用隔離式DC-DC轉換來(lái)生成多個(gè)隔離正向和/或負向輸出電壓。
圖3.電平轉換隔離。 隔離式DC-DC轉換器基本原理 圖4顯示了一個(gè)傳統的隔離式DC-DC轉換器。該解決方案使用光耦合器、誤差放大器和基準電壓源來(lái)構成一個(gè)跨越隔離柵的反饋環(huán)路。在此實(shí)現方案中，輸出電壓通過(guò)誤差放大器進(jìn)行檢測，然后將其與基準電壓進(jìn)行比較。信息通過(guò)光耦合器傳送到隔離柵另一側的主面，主面的控制電路對功率級進(jìn)行調制以調節輸出電壓。
圖4.使用光耦合器和相關(guān)反饋電路的傳統隔離式DC-DC轉換器。 這種解決方案一直都能很好地發(fā)揮其作用，但隨著(zhù)設備尺寸逐漸縮小，導致其幾乎沒(méi)有容身之地。光耦合器、誤差放大器和基準電壓電路共有12個(gè)元件，大大增加了總設計元件數，并占用很大的電路板空間（圖5）。大家自然希望能省去這種電路。
圖5.使用光耦合器、誤差放大器和基準電壓源的傳統反饋電路。 光耦合器還面臨另一個(gè)大問(wèn)題：其性能會(huì )隨溫度變化，并隨著(zhù)時(shí)間推移而下降，從而導致某些應用出現可靠性問(wèn)題。圖6顯示了典型光耦合器的電流傳輸比(CTR)，在-60°C至+120°C溫度范圍內其變化率達270%1。除此之外，此CTR還會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移下降30%至40%2,3,4。
圖6.光耦合器集電極電流與環(huán)境溫度的關(guān)系。1 省去光耦合器 主面控制拓撲：有一種省去光耦合器的方式是采用主面控制法。在此方案中，電源隔離變壓器上的第三繞組用于在“關(guān)斷”周期內間接測量輸出電壓。圖7顯示了這種電路。反射電壓VW與輸出電壓成正比，公式如下：
其中VO是輸出電壓，VF是輸出整流二極管壓降，Na是第三繞組匝數，NS是次級繞組匝數。
圖7.使用第三繞組的主面控制。 雖然這種方法可以有效地省去光耦合器，但卻產(chǎn)生了一系列新問(wèn)題： (a) 添加第三繞組會(huì )使變壓器的設計和構造更復雜，增加更多成本。 (b) 反射電壓與輸出整流二極管電壓VF相關(guān)。此外，VF會(huì )隨負載和溫度而變化。這會(huì )導致檢測的輸出電壓出現誤差。 (c) VW上的漏感振鈴會(huì )進(jìn)一步增加檢測輸出電壓的讀數誤差。 這種主面控制法提供的輸出電壓調節性能不佳，因此在許多應用中并不實(shí)用，迫使設計人員使用后置穩壓器，這會(huì )增加更多成本，并增大總體解決方案的尺寸。 無(wú)光耦反激式拓撲：無(wú)光耦反激式DC-DC轉換器是主面控制法的一種變化形式。這種方式通過(guò)直接檢測主面電壓避免了上述問(wèn)題(a)，所以無(wú)需使用電源變壓器中的第三繞組。這一改進(jìn)顯著(zhù)降低了變壓器設計和構造的復雜性，并且簡(jiǎn)化了PCB布局。圖8描述了這種拓撲。
圖8.無(wú)光耦反激式電路。 反射電壓VP與輸出電壓成正比，公式如下：
其中VO是輸出電壓，VF是輸出整流二極管壓降，NP是初級繞組匝數，NS是次級繞組匝數。 無(wú)光耦反激式拓撲結構并不新鮮，而它仍然受困于上述其他兩個(gè)問(wèn)題(b)和(c)。此例中(c)對應的不是VW，而是VP上的漏感振鈴。對于這種無(wú)光耦反激式電路，輸出電壓調節性能不佳仍然是嚴峻的技術(shù)挑戰。 所幸，近來(lái)的電路設計發(fā)展和專(zhuān)有技術(shù)有效地改善了這一瓶頸問(wèn)題。我們來(lái)仔細看看！ 克服輸出電壓調節不佳的問(wèn)題 圖9顯示了MAX17690，它提供一種無(wú)光耦反激隔離式DC-DC轉換器解決方案，輸出電壓調節精度達±5%。
圖9.無(wú)光耦反激式電路實(shí)現新的輸出電壓調節基準。 為了消除檢測輸出電壓的讀數誤差，MAX17690在次級電流ISEC較低時(shí)對反射電壓進(jìn)行采樣。此技術(shù)可減緩由輸出負載引起的二極管壓降變化。這款I(lǐng)C還具有補償二極管電壓及其隨溫度變化的功能。另外還采用先進(jìn)技術(shù)來(lái)濾除漏感振鈴�？傊�，這款I(lǐng)C為無(wú)光耦反激式拓撲帶來(lái)了新的輸出電壓調節基準。 圖10顯示的變體MAX17691還集成了功率FET和電流檢測元件，因此僅需極少外部元件即可構建完整電路。它以一種非常簡(jiǎn)單的形式提供了高性能的隔離式DC-DC轉換器解決方案。
圖10.高度集成的無(wú)光耦反激式解決方案。 MAX17690和MAX17691都能實(shí)現很好的輸出電壓調節。圖11顯示了它們在不同溫度、線(xiàn)路和負載條件下的性能。
圖11.MAX17690/MAX17691輸出電壓調節。新基準！ 結論 設備和電路板空間越來(lái)越小，導致使用光耦合器構建反饋環(huán)路的傳統大尺寸隔離式DC-DC轉換器逐漸失去其實(shí)用價(jià)值。此外還有另一道阻礙，光耦合器的性能會(huì )隨溫度變化并隨著(zhù)時(shí)間的推移而下降。無(wú)光耦反激式拓撲更簡(jiǎn)單，需要的外部元件更少，自然是更好的選擇。設計技術(shù)的創(chuàng )新改進(jìn)顯著(zhù)提高了輸出電壓調節性能，使無(wú)光耦反激式DC-DC轉換器具有實(shí)用性，成為隔離電源應用的正確選擇。 參考資料 1. “Optocoupler, Phototransistor Output, Low Input Current, SSOP-4, Half-Pitch, Mini-Flat Package（光耦合器、光電晶體管輸出、低輸入電流、SSOP-4、半間距、小型扁平封裝）�！�Vishay Intertechnology, Inc. 2023年1月。 2. “Vishay光耦合器應用筆記，文檔編號：80059�！盫ishay Intertechnology, Inc. 2008年1月。 3. “Basic Characteristics and Application Circuit Design of Transistor Couplers（晶體管耦合器的基本特性和應用電路設計）”。Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation，2018年。 4. T. Bajenesco�！癈TR Degradation and Ageing Problem of Optocouplers（光耦合器的CTR退化和老化問(wèn)題）�！钡谒膶霉虘B(tài)和IC技術(shù)國際會(huì )議論文集，1995年10月。 關(guān)于作者 Anthony T. Huynh（又名Thong Anthony Huynh）是Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分）的應用工程技術(shù)團隊的主要成員。他在設計和定義隔離式與非隔離式開(kāi)關(guān)電源及電源管理產(chǎn)品方面擁有20多年的經(jīng)驗。他定義了100多種電源管理產(chǎn)品，包括DC-DC轉換器、熱插拔控制器、以太網(wǎng)供電以及世界各大制造商采用的各種系統保護IC。 |
