穿過隔離柵供電:認識隔離式直流/ 直流偏置電源
2020-12-17 電子產品世界
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。
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。
圖 1. 隔離式偏置應用。
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。
下面我們來看隔離式偏置電源拓撲的部分示例。
牽引逆變器 SiC 柵極驅動器偏置 | 隔離式電流或 電壓感應 | 隔離式 CAN 通信工業電機 | IGBT 柵極驅動器偏置 | |
| 輸入電壓 | 12V+ 10% | 5V | 24V + 10% | |
| 輸出電壓 | +20V/-5V | +15V/-5V | ||
| 輸出功率 | 1.5W | 100mW | 350mW | 1W |
| 調節 | + 5 % | + 10% | + 5% | + 10% |
| 隔離等級 | 基本 | 增強型 | ||
| 環境溫度 | 高達 105°C | -55°C 至 125°C | -40°C 至 125°C | -40°C 至 85°C |
| EMI 要求 | CISPR 25 5 類 | CISPR32 B 類 | CISPR 25 5 類 | CISPR32 B 類 |
表 1. 隔離式偏置轉換器規範示例。
反激式
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， 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
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。
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