用隔離式誤差放大器取代光耦合器和并聯(lián)穩(wěn)壓器

符合隔離式 AC/DC、DC/DC 或 DOSA 標(biāo)準(zhǔn)的電源模塊的設(shè)計人員在響應(yīng)市場對提高性能的要求時面臨著挑戰(zhàn)。本文介紹數(shù)字隔離器誤差放大器，它改善了初級側(cè)控制架構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)和工作溫度范圍。初級側(cè)控制器的傳統(tǒng)應(yīng)用是使用光耦合器提供反饋環(huán)路隔離，并使用并聯(lián)穩(wěn)壓器作為誤差放大器和基準(zhǔn)。雖然光耦合器通常被視為用于電源的廉價隔離器，但它會將環(huán)路帶寬限制在最大50 kHz，實際上，它可以低得多。使用快速可靠的數(shù)字隔離器電路，將隔離式誤差放大器和精密基準(zhǔn)電壓源功能集成到單個封裝中，將產(chǎn)生具有更低溫度漂移和更高帶寬的精密隔離誤差放大器。隔離式誤差放大器可實現(xiàn)超過250 kHz的環(huán)路帶寬，這使得隔離式主電源設(shè)計能夠以更快的開關(guān)速度運行。采用正確的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更快的開關(guān)速度允許使用更小的輸出濾波電感器和電容器，從而實現(xiàn)更緊湊的電源。

我們將研究的初始拓?fù)涫欠醇な?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器，因為就元件數(shù)量而言，這是最簡單的電路。反激式電路可以具有最少的開關(guān)，在這種情況下，初級側(cè)只有一個，次級側(cè)有一個整流二極管。簡單的反激電路通常用于相對較低的輸出功率，但由于右半平面（RHP）零點，它確實具有高輸出紋波電流和低交越頻率。因此，反激式電路需要具有較大輸出紋波電流額定值的大輸出電容值。光耦合器方法如圖1所示，涉及使用并聯(lián)穩(wěn)壓器作為隔離輸出電壓V反饋電壓的誤差放大器O.當(dāng)用作精度標(biāo)準(zhǔn)時，并聯(lián)穩(wěn)壓器提供典型精度為2%的基準(zhǔn)電壓。內(nèi)部誤差放大器將分壓輸出電壓與并聯(lián)穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出饋送到光耦合器LED電路。光耦合器LED由輸出電壓和串聯(lián)電阻提供的電流偏置，所需的電流量基于其數(shù)據(jù)手冊中所述的光耦合器電流傳輸（CTR）特性。

圖1.帶光耦合器和并聯(lián)穩(wěn)壓器的反激式穩(wěn)壓器框圖

圖2.光耦合器CTR劣化。

CTR是輸出晶體管電流與輸入LED電流的比值。CTR特性不是線性的，并且因光耦合器而異。如圖2所示，光耦合器CTR在工作壽命期間會有所不同，這使得可靠性設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。您今天設(shè)計和測試的光耦合器的初始CTR通常具有二比一的不確定性，并且在高功率和高密度電源的高溫環(huán)境中使用或服務(wù)多年后，CTR將降低40%。當(dāng)光耦合器用作線性器件時，它具有相對較慢的傳輸特性（小信號帶寬約為50 kHz），這導(dǎo)致電源的環(huán)路響應(yīng)緩慢。對于反激式拓?fù)?，具有慢傳輸特性可能不是問題，因為這種拓?fù)湟笳`差放大器的補償降低環(huán)路帶寬以保持穩(wěn)定的輸出。光耦合器值得關(guān)注的是，其輸出特性隨時間的變化會迫使設(shè)計人員進(jìn)一步降低環(huán)路響應(yīng)，以確保環(huán)路的穩(wěn)定性。環(huán)路響應(yīng)較慢的缺點是這會降低瞬態(tài)響應(yīng)，并且負(fù)載瞬變后輸出電壓將需要更長的時間才能恢復(fù)。增加更大的輸出電容有助于降低輸出電壓降，但會增加輸出響應(yīng)時間。這導(dǎo)致了更大、更昂貴的電源設(shè)計，而更小、成本更低的解決方案可能是可能的，也是更理想的。

圖3.隔離式誤差放大器取代了光耦合器和并聯(lián)穩(wěn)壓器。

在說明了光耦合器作為線性隔離器實現(xiàn)穩(wěn)定工作的困難之后，可以檢查隔離式誤差放大器在時間和極端溫度下提供穩(wěn)定可靠性能的能力。如圖3所示，并聯(lián)穩(wěn)壓器和V裁判功能現(xiàn)在被寬帶運算放大器和1.225 V基準(zhǔn)電壓源部分取代，光耦合器現(xiàn)在被基于數(shù)字隔離器技術(shù)的快速線性隔離器取代。器件右側(cè)的運算放大器有一個同相+IN引腳連接到內(nèi)部1.225 V基準(zhǔn)電壓源，還有一個反相?IN引腳，用于通過分壓器連接隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出中的反饋電壓。COMP 引腳是運算放大器輸出，可用于連接補償網(wǎng)絡(luò)中的電阻和電容元件。COMP 引腳在內(nèi)部驅(qū)動發(fā)射器模塊，發(fā)射器模塊將運算放大器輸出電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制脈沖輸出，用于驅(qū)動數(shù)字隔離變壓器。在隔離誤差放大器的左側(cè)，變壓器輸出信號被解碼并轉(zhuǎn)換為驅(qū)動放大器模塊的電壓。放大器模塊產(chǎn)生 EA 上可用的誤差放大器輸出外引腳，用于驅(qū)動DC-DC電路中PWM控制器的輸入。

圖4.隔離誤差放大器輸出精度與溫度的關(guān)系

這種新型隔離式誤差放大器的優(yōu)點包括基準(zhǔn)電壓源和運算放大器，其設(shè)計用于最小化溫度范圍內(nèi)的失調(diào)和增益誤差漂移。1.225 V基準(zhǔn)電壓源電路經(jīng)過調(diào)整，在整個溫度范圍內(nèi)具有1%的穩(wěn)定性，比并聯(lián)穩(wěn)壓器更精確，漂移小得多。如圖4所示，隔離式誤差放大器的典型輸出特性在?0°C至+2°C范圍內(nèi)僅變化40.125%，從而實現(xiàn)高精度DC/DC輸出。為了保持穩(wěn)定的輸出特性，運算放大器的COMP輸出經(jīng)過脈沖編碼，以跨越隔離柵發(fā)送數(shù)字脈沖，然后由數(shù)字隔離器變壓器模塊解碼回模擬信號，從而完全消除了使用光耦合器隔離時CTR變化的問題。

對于需要比反激式電路更快的瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用，可以使用隔離式誤差放大器實現(xiàn)推挽拓?fù)?。推挽電路如圖5所示，兩個MOSFET交替接通和關(guān)斷，為變壓器的兩個初級繞組充電，然后用二極管對兩個次級繞組進(jìn)行導(dǎo)通和充電，為輸出濾波電感和電容充電。當(dāng)適當(dāng)補償時，推挽式拓?fù)鋵⒎浅７€(wěn)定，具有更快的開關(guān)頻率和更快的環(huán)路響應(yīng)。與反激式電路相同的隔離式DC-DC設(shè)計示例，即5 V輸入至5 V輸出，輸出電流為1.0 A，現(xiàn)在采用隔離式誤差放大器ADuM3190用于推挽電路。推挽式設(shè)計的開關(guān)頻率為1.0 MHz，而典型反激式設(shè)計的開關(guān)頻率較慢，為200 kHz，因此ADuM3190具有更高的帶寬，是比光耦合器更好的選擇。輸出濾波器電容已從典型反激式的200 μF降至推挽式的27 μF，并增加了一個47 μH小電感。圖6所示波形顯示，在100 mA至900 mA負(fù)載階躍條件下，帶有隔離誤差放大器的推挽電路的響應(yīng)時間僅為100 μsec，而典型反激式的響應(yīng)時間為400 μsec，提高了四倍。與反激式電路看到的輸出電壓變化為400 mV不同，推挽式電路輸出電壓僅變化200 mV，提高了兩倍。采用更快的推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和隔離式誤差放大器的更高帶寬，可實現(xiàn)高性能、更快的瞬態(tài)響應(yīng)和更小的輸出濾波器。

圖5.帶數(shù)字隔離器誤差放大器的推挽式轉(zhuǎn)換器框圖

圖6.推挽式轉(zhuǎn)換器，帶數(shù)字隔離器誤差放大器 100 mA至900 mA負(fù)載階躍。

這些改進(jìn)得益于400 kHz隔離誤差放大器的高帶寬，可實現(xiàn)更快的環(huán)路響應(yīng)。副邊誤差放大器具有10 MHz的高增益帶寬積，比并聯(lián)穩(wěn)壓器快約1倍，對于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率至40 MHz。與光耦合器解決方案不同，光耦合器解決方案在整個壽命和溫度范圍內(nèi)具有不確定的電流傳輸比，而隔離式誤差放大器的傳遞函數(shù)在其使用壽命內(nèi)不會改變，并且在?125°C至+<>°C的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。 隨著這些性能的改進(jìn)，隔離式誤差放大器將成為隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器電源設(shè)計人員的首選解決方案，這些設(shè)計人員希望通過初級側(cè)控制架構(gòu)改善瞬態(tài)響應(yīng)和工作溫度范圍。

審核編輯：郭婷