德州儀器 發表於 2020-05-11 17:37:34
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有工具，還要知道如何充分利用這些工具。
對於設計人員來說，在隔離柵內移動信號和電源是一項常見的挑戰。為了提高安全性和抗噪性能，或產生較大的電勢差，可能需要在不同的系統域之間進行隔離。例如，手機充電器通過內部隔離，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，並與產生較大直流電流、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。具有控制器區域網（CAN） 或 CAN 靈活數據速率 （FD） 協議通信的汽車應用，通過集成了隔離組件和收發器組件的隔離式 CAN 收發器，可將這類信號與汽車的高壓側隔離。工業應用也可以使用 CAN 協議和 RS-485 協議實現長距離串行通信。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號類似，設計人員可使用專為 RS-485 協議設計的隔離式收發器。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出的脈寬調製信號，然後信號經過隔離器向柵極驅動器發出開啟或關閉絕緣柵雙極電晶體的指令。
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
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。由於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範，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範圍、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節範圍至關重要。隔離等級、環境工作溫度範圍、電磁幹擾 （EMI） 和電磁兼容性 （EMC） 等系統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範。
表 1. 隔離式偏置轉換器規範示例
下面我們來看隔離式偏置電源拓撲的部分示例。
反激式轉換器是一種眾所周知的拓撲結構，數十年來應用廣泛。這種電源轉換器具有靈活性和低成本等特點，可用於多種應用。憑藉集成場效應電晶體 （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實現調節和隔離，也可靈活用於多個輸出。您可選擇輸出繞組數量，然後在變壓器上纏繞線圈，來匹配您所選的配置。輸出繞組電壓是佔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，從而滿足系統隔離要求。反激式轉換器的其他優勢包括成本相對較低、具有寬的輸入輸出工作電壓範圍。
為了實現最佳性能，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、實現最優調節，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，從而防止產生過多的電磁幹擾 （EMI）。
Fly-Buck™轉換器是德州儀器 （TI） 用於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電晶體（MOSFET） 通常集成在集成電路 （IC） 中，可輕鬆實現初級側控制。圖 3 所示為 Fly-Buck™轉換器。此拓撲採用同步降壓轉換器與耦合電感器，可產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。由於反饋環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，匝數比、隔離等級、次級繞組數和 PWM 佔空比均可控，因此適用於各種應用。
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。對於需要 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是適用於低噪聲、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，開環運行，固定佔空比 50%。MOSFET 集成到 IC 中，可實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 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，FET 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，佔空比為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；其開環配置省去了反饋環路，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，從而實現比反激式和 Fly-Buck™轉換器更小的磁解決方案。
儘管變壓器驅動器具有許多優點，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範圍，因此需要嚴格調節輸入電壓。由於沒有閉合環路，因此不容易滿足輸出電壓反饋調節要求，可能需要低壓降後置穩壓器 （LDO）。
電壓模塊具有數十年的發展歷史。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器，與分立式拓撲相似。某些器件可能集成一個輸出LDO 用於調節。
圖 5. 電源模塊
電源模塊提供多種選項，可用於大部分隔離式偏置轉換器應用。由於您無需規定、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量和變壓器匝數比的模塊時，靈活性可能會有所降低。與額定環境溫度為 125°C 的模塊相比，55°C 和 85°C 選項的模塊更受青睞。同樣地，採用完全增強型隔離的模塊數量也不及採用功能型或基本隔離的模塊。
變壓器設計創新和更高頻率的拓撲允許 IC 設計人員將變壓器和矽晶片集成到一個 IC 中。終端用戶無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。
圖 6. UCC12050 隔離式直流/直流偏置電源
儘管 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 的運行後發現，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。使用內部拓撲控制方案，無需 LDO 或外部反饋組件即可實現閉環運行。
UCC12050 為各種隔離式直流/直流偏置電源應用帶來很多優勢。其設計使用 EMI 優化型變壓器，初級側與次級側之間的電容僅為 3.5pF，採用噪聲控制方案。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 專用於 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後置轉換功能。此外，對於要求功率在 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
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範圍等系統級規格。為此，您可以選擇這種成本最低、可滿足所有系統要求的解決方案。
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