使用集成反激轉(zhuǎn)換器構(gòu)建隔離式電源

電流隔離是設(shè)計(jì)用于高壓或靠近人類的應(yīng)用中電源的關(guān)鍵要求。反激式轉(zhuǎn)換器提供有效的隔離式電源解決方案，但可能存在重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以確保在寬負(fù)載范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出。

為了幫助克服這些挑戰(zhàn)，我們將描述問(wèn)題，然后使用特定的模型轉(zhuǎn)換器例如，為了實(shí)現(xiàn)成功的設(shè)計(jì)，需要考慮一些因素。

與基于反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生產(chǎn)高效電源相關(guān)的挑戰(zhàn)需要電力設(shè)計(jì)專家的知識(shí)。今天，對(duì)更快，更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)交付的需求加劇了使用傳統(tǒng)方法的難度。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，較新的集成器件（如ROHM BD7F系列）可為更復(fù)雜的設(shè)計(jì)提供有效的解決方案，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

在轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，反激式轉(zhuǎn)換器提供隔離，甚至需要相對(duì)較少的部件在離散設(shè)計(jì)中。從根本上說(shuō)，反激式轉(zhuǎn)換器是一種利用變壓器的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器。雖然反激式轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)，但其變壓器提供電流隔離，并允許您通過(guò)選擇合適的繞組比來(lái)選擇輸入/輸出電壓比。

反激反饋

In操作時(shí)，反激變換器變壓器初級(jí)側(cè)的電流會(huì)使能量存儲(chǔ)在變壓器中。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)的能量將傳輸?shù)捷敵觥榱苏{(diào)節(jié)其輸出，反激式轉(zhuǎn)換器使用反饋電路，將輸出電壓電平與所需電壓值進(jìn)行比較，并相應(yīng)地調(diào)整輸出。為了隔離反饋回路本身，傳統(tǒng)的隔離式反激式電源使用光耦合器（圖1上）或變壓器的輔助繞組（圖1底部）。

圖1：傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器使用光耦合器（頂部）或輔助繞組（底部）隔離的反饋回路調(diào)節(jié)其輸出。 （圖片來(lái)源：德州儀器）

高度集成的反激式控制器的出現(xiàn)為需要?jiǎng)?chuàng)建更小的隔離電源的任何人提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。雖然與許多替代解決方案相比，這些控制器減少了部件數(shù)量，但它們確實(shí)需要外部FET作為電源開(kāi)關(guān)。控制器驅(qū)動(dòng)外部FET來(lái)控制電源的輸出電壓。

相比之下，德州儀器LM5001（圖1）等轉(zhuǎn)換器集成了FET開(kāi)關(guān)，可進(jìn)一步減少部件數(shù)量和更小總?cè)芤撼叽纭＿@種更高的集成度是有代價(jià)的，因?yàn)閮?nèi)部FET開(kāi)關(guān)限制了轉(zhuǎn)換器可以處理的最大電壓和峰值電流。例如，LM5001轉(zhuǎn)換器的電壓和電流限制分別為75 V和1 A.

然而，對(duì)于許多移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，最近的轉(zhuǎn)換器，如ROHM Semiconductor BD7F200（10 W） 24 VIN輸出和BD7F100（24 VIN輸出5 W）提供了更加引人注目的優(yōu)勢(shì)，它們能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并更加顯著地減少部件數(shù)量。

這種減少是可能的，因?yàn)檫@些設(shè)備能夠檢測(cè)來(lái)自初級(jí)側(cè)的次級(jí)側(cè)電壓和電流，無(wú)需單獨(dú)的光耦合器或帶有三級(jí)繞組的變壓器。因此，您可以僅使用簡(jiǎn)單的變壓器和一些額外的無(wú)源元件來(lái)創(chuàng)建高效的隔離電源（圖2）。

圖2：ROHM BD7F隔離轉(zhuǎn)換器使用初級(jí)側(cè)檢測(cè)來(lái)調(diào)節(jié)電壓輸出。 （圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

基于這些部件的隔離式反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可提供更大的尺寸減小，可靠性和節(jié)能效果。為了加速開(kāi)發(fā)，ROHM提供了一個(gè)完全配置的評(píng)估板，幫助客戶將這些集成解決方案應(yīng)用到他們自己的設(shè)計(jì)中（圖3）。

圖3： ROHM Semiconductor BD7F100HFN-EVK-001評(píng)估套件。 （圖像來(lái)源：ROHM Semiconductor）

單片轉(zhuǎn)換器

傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)通常使用誤差放大器來(lái)校正其輸出電壓。相比之下，BD7F系列采用了一種基于比較器的稱為自適應(yīng)ON-Time控制的方法。在工作期間，電路通過(guò)將其內(nèi)部參考電壓與其SW端子處監(jiān)控的反饋電壓進(jìn)行比較來(lái)確定ON和OFF時(shí)間（圖4）。

圖4：ROHM BD7F系列自適應(yīng)ON-Time控制器依靠比較器檢測(cè)初級(jí)側(cè)反饋電壓，根據(jù)需要調(diào)整開(kāi)關(guān)占空比，以保持穩(wěn)定的輸出電壓。 （圖像來(lái)源：ROHM Semiconductor）

自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制方法在輸出穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，這些器件能夠在1 A的負(fù)載電流和100μs的上升時(shí)間內(nèi)將輸出電壓波動(dòng)限制在200 mV。因此，這些器件可以快速響應(yīng)負(fù)載瞬變，從而降低輸出波動(dòng)（圖5）。

圖5：自適應(yīng)ON-Time控制方法用于ROHM BD7F隔離轉(zhuǎn)換器有助于確保在負(fù)載瞬變（上部波形）期間輸出電壓波動(dòng)（較低波形）限制在約200 mV。 （圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

使用這種控制方法，轉(zhuǎn)換器最終根據(jù)以下內(nèi)容提供VOUT：

等式1：

其中

RFB是FB-SW端子之間的外部電阻

RREF是REF-AGND端子之間的外部電阻

NP是變壓器初級(jí)側(cè)的匝數(shù)

NS是變壓器次級(jí)側(cè)的匝數(shù)

VREF是REF端子電壓

VF是輸出二極管的正向電壓VF

IS是次級(jí)變壓器電流

ESR是次級(jí)側(cè)的總阻抗

值得注意的是該公式中說(shuō)明的結(jié)果是，您可以通過(guò)選擇合適的變壓器初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)比，并通過(guò)調(diào)整電阻RFB和RREF的比率來(lái)部分設(shè)置輸出電壓。

方程式進(jìn)一步圖示說(shuō)明輸出電壓電平也受到確定的輸出電壓誤差的影響由VF和ESR。通過(guò)選擇具有小VF的肖特基勢(shì)壘二極管可以減少該誤差。然而，ESR更難控制，因?yàn)樗谴渭?jí)側(cè)的總阻抗，包括變壓器線繞電阻和印刷電路板阻抗。

即使采用最佳二極管選擇和仔細(xì)的ESR管理，在您的應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)輸出電壓誤差，從而導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)不良。為了降低這些固有誤差源的影響，BD7F器件具有內(nèi)部負(fù)載補(bǔ)償功能，可顯著改善器件輸出電流范圍內(nèi)的輸出調(diào)節(jié)。

負(fù)載補(bǔ)償系數(shù)通過(guò)電阻設(shè)置電容器連接到器件的COMP引腳。電容CCOMP有助于穩(wěn)定VCOMP（見(jiàn)圖4）。 ROHM建議使用0.01μF至0.1μF的CCOMP值。在選擇RCOMP時(shí)，可以使用以下等式估算所需的電阻值：

方程式2：

其中：

RVFis二極管正向電阻，近似于由于Is

ESR是次級(jí)側(cè)的總阻抗

K是壓縮放大倍數(shù)（在這種情況下定義為1/50k）

RFB是外部電阻FB-SW端子之間

NP是變壓器初級(jí)側(cè)的匝數(shù)

NS是變壓器次級(jí)側(cè)的匝數(shù)

雖然該等式為RCOMP提供了理論值，各種電阻（RVF，RFB和ESR）取決于設(shè)計(jì)，元件和印刷電路板的細(xì)節(jié)。因此，您需要通過(guò)測(cè)量應(yīng)用的負(fù)載電流范圍內(nèi)的VOUT并相應(yīng)地調(diào)整RCOMP來(lái)確定RCOMP的實(shí)際值。

實(shí)際考慮因素

除了它的許多優(yōu)點(diǎn)外，反激式還原拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確實(shí)存在缺點(diǎn)。在電源開(kāi)關(guān)的漏極和次級(jí)整流器處經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓尖峰。這些電壓尖峰來(lái)自變壓器固有的漏電感，該漏電感與存儲(chǔ)在不完美耦合繞組中的少量能量有關(guān)。

在BD7F器件中，當(dāng)發(fā)生尖峰或發(fā)生尖峰時(shí)，SW引腳會(huì)發(fā)生振鈴。集成MOSFET關(guān)閉。此外，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，輸出二極管中可能出現(xiàn)反向尖峰電壓。因此，您通常需要添加一個(gè)簡(jiǎn)單的緩沖電路來(lái)控制漏感的影響并提高電源的可靠性。

結(jié)論

反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)涮峁└綦x和需要相對(duì)較少的額外組件來(lái)產(chǎn)生相當(dāng)有效的電源。然而，用于調(diào)節(jié)這些轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)方法需要使用光耦合器或帶有三級(jí)繞組的復(fù)雜變壓器。

相比之下，較新的集成轉(zhuǎn)換器（如ROHM BD7F系列）可實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，而無(wú)需額外的這些組件。使用這些器件，可以使用更少的附加元件創(chuàng)建高效的隔離電源，在更小的占地面積內(nèi)提供更高的可靠性。