穿過隔離柵供電：認識隔離式直流/直流偏置電源

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和現(xiàn)有工具，還要知道如何充分利用這些工具。

對于設計人員來說，在隔離柵內(nèi)移動信號和電源是一項常見的挑戰(zhàn)。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(tǒng)域之間進行隔離。例如，手機充電器通過內(nèi)部隔離，可在連接器短路時防止用戶觸電。

在工廠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。

通常在整個隔離柵中進行通信和感應。具有控制器局域網(wǎng)（CAN） 或 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 （FD） 協(xié)議通信的汽車應用，通過集成了隔離組件和收發(fā)器組件的隔離式 CAN 收發(fā)器，可將這類信號與汽車的高壓側隔離。工業(yè)應用也可以使用 CAN 協(xié)議和 RS-485 協(xié)議實現(xiàn)長距離串行通信。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號類似，設計人員可使用專為 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電網(wǎng)中的電力輸送。牽引逆變器和電機驅動器接收電機控制器發(fā)出的脈寬調(diào)制信號，然后信號經(jīng)過隔離器向柵極驅動器發(fā)出開啟或關閉絕緣柵雙極晶體管的指令。

通過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現(xiàn)隔離通信和感應。電流和電壓傳感器、數(shù)字隔離器和柵極驅動器通常需要 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。

圖 1. 隔離式偏置應用

隔離式直流/直流偏置電源要求

無論是具有外部電源開關的控制器、將一個控制器與多個電源開關集成的轉換器，還是將多個控制器、電源開關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廣泛，涉及的應用也是多種多樣，為了以超低成本符合各類規(guī)范，全面了解各種應用要求是非常重要的。

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偏置電壓，因此確定每個輸出的可接受調(diào)節(jié)范圍至關重要。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(tǒng)要求會進一步驅動設計決策。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(guī)范。

表 1. 隔離式偏置轉換器規(guī)范示例

下面我們來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(shù)十年來應用廣泛。這種電源轉換器具有靈活性和低成本等特點，可用于多種應用。憑借集成場效應晶體管 （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初級開關、一個整流器和一個類似變壓器的耦合電感器。圖2所示為轉換器的簡化原理圖。初級開關打開時，輸入電壓則施加在初級繞組上，在變壓器氣隙內(nèi)儲存能量。在這種情況下，僅輸出電容器給輸出負載供電。初級開關關閉時，儲存在變壓器中的能量則通過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轉換級內(nèi)實現(xiàn)調(diào)節(jié)和隔離，也可靈活用于多個輸出。您可選擇輸出繞組數(shù)量，然后在變壓器上纏繞線圈，來匹配您所選的配置。輸出繞組電壓是占空比與初級繞組和次級繞組匝數(shù)比的函數(shù)。也可以將每一輸出端作為不同的接地基準點，從而滿足系統(tǒng)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。

為了實現(xiàn)最佳性能，應對反激式變壓器進行合理設計。變壓器應良好耦合且漏感低，從而提高效率、實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié)，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效應晶體管（MOSFET） 通常集成在集成電路 （IC） 中，可輕松實現(xiàn)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)生一個或多個隔離式輸出。高側開關打開時，初級側作為降壓轉換器運行，而次級繞組電流為零。高側開關關閉且低側開關打開時，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，因此該轉換器無需附加的輔助繞組或光耦合器進行控制。耦合電感結構靈活，匝數(shù)比、隔離等級、次級繞組數(shù)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。

推挽式變壓器驅動器

推挽式變壓器驅動器是適用于低噪聲、小型隔離式電源的常用解決方案，由具有嚴格電壓調(diào)節(jié)功能的輸入軌供電，開環(huán)運行，固定占空比 50%。MOSFET 集成到 IC 中，可實現(xiàn)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 MOSFET 作為接地基準，因此無需外部自舉電路。與單端正激式轉換器類似，F(xiàn)ET 的電壓應力是輸入電壓的兩倍。兩個 MOSFET 每隔半個周期切換一次，占空比為50%，驅動變壓器具有中間抽頭的繞組。

圖 4. 推挽式變壓器驅動器

推挽式變壓器驅動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；其開環(huán)配置省去了反饋環(huán)路，從而簡化設計。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，從而實現(xiàn)比反激式和 Fly-Buck?轉換器更小的磁解決方案。

盡管變壓器驅動器具有許多優(yōu)點，但也應注意權衡利弊。與反激式和 Fly-Buck?轉換器不同，變壓器驅動器不支持寬輸入電壓范圍，因此需要嚴格調(diào)節(jié)輸入電壓。由于沒有閉合環(huán)路，因此不容易滿足輸出電壓反饋調(diào)節(jié)要求，可能需要低壓降后置穩(wěn)壓器 （LDO）。

電源模塊

電壓模塊具有數(shù)十年的發(fā)展歷史。這類解決方案非常普遍，與分立式實施方式相比，可顯著提高集成度。電源模塊種類繁多，可提供輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、輸出數(shù)量、隔離等級和調(diào)節(jié)等選項。

圖 5 所示為某電源模塊內(nèi)部運行的方框圖。其拓撲包括變壓器驅動器，與分立式拓撲相似。某些器件可能集成一個輸出LDO 用于調(diào)節(jié)。

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。由于您無需規(guī)定、設計或選擇變壓器，因此可大大簡化設計過程；只需加入輸入和輸出去耦電容器即可開始設計。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。

您在使用專門配置輸出數(shù)量和變壓器匝數(shù)比的模塊時，靈活性可能會有所降低。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(shù)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 IC 中。終端用戶無需設計變壓器或降低系統(tǒng)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。

圖 6. UCC12050 隔離式直流/直流偏置電源

盡管 UCC12050 看起來與具有集成功率級和整流器的電源模塊類似，但研究 UCC12050 的運行后發(fā)現(xiàn)，其開關頻率比電源模塊高很多。

與開關頻率較低的其他電源相比，UCC12050 的高度和重量都顯著降低。使用內(nèi)部拓撲控制方案，無需 LDO 或外部反饋組件即可實現(xiàn)閉環(huán)運行。

UCC12050 為各種隔離式直流/直流偏置電源應用帶來很多優(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。無需鐵氧體磁珠或LDO，雙層 PCB 解決方案本身即符合 CISPR32 B 類標準。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 降額曲線以上的設計，應了解替代拓撲。

表 2 對上述各種拓撲進行了比較。很明顯，具有外部變壓器的拓撲能帶來最大的靈活性，而電源模塊和 UCC12050 簡便易用。

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(shù)量、調(diào)節(jié)要求、輸出功率、隔離等級、工作溫度和輸入電壓范圍等系統(tǒng)級規(guī)格。為此，您可以選擇這種成本最低、可滿足所有系統(tǒng)要求的解決方案。