隔離式DC/DC轉換器的三類電壓調節方案

2020-12-03 電子產品世界

隔離式DC/DC轉換器是眾多應用所必需的組件，這些應用包括了電能計量、PLC、IGBT驅動器電源、工業現場總線和工業自動化等。此類轉換器常用於提供電流隔離、改善安全性及提高抗噪聲能力。而且，它們還可用來生成包括雙極性電源軌在內的多個輸出電壓軌。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/387891.htm

按照輸出電壓調節準確度，隔離式DC/DC轉換器常常分為三類，即：已調節型、未調節型和半調節型。本文將討論各種不同的調節方案和對應的拓撲。對影響調節準確度的因素進行了詳細地檢查。這將形成一些可在實際設計中改善調節準確度的設計小貼士。此外，還闡述了每種方案的優缺點，旨在為選擇針對某種特定應用需求的合適解決方案提供指導。

隔離式DC/DC轉換器的反饋與控制

隔離式DC/DC轉換器通常採用一個變壓器，以實現輸出和功率級輸入的電隔離(圖1)。

在閉環隔離式DC/DC轉換器中(圖2)，反饋電路負責檢測輸出電壓，並通過把檢測電壓與其目標值(反饋電壓基準)進行比較，以生成一個誤差。該誤差隨後被用於調整控制變量(在本例中為佔空比)以補償輸出偏差。另外，初級側與次級側上的控制電路之間的電流隔離也是必不可少的。此類隔離可通過採用一個變壓器或光耦合器來實現。假設基準電壓VREF在整個溫度範圍內保持精準和穩定，那麼調節準確度將主要取決於輸出電壓檢測準確度(換句話說就是，VSENSE與VOUT相似度的高低)。

未調節型隔離式DC/DC轉換器

未調節型隔離式DC/DC轉換器(也被稱為開環隔離式 DC/DC 轉換器)在那些不需要精準輸出電壓的應用中得到了廣泛的使用。一種典型的應用是具有 50% 固定佔空比的推挽式轉換器(圖3)。控制電路僅包括一個振蕩器和兩個柵極驅動器，其可產生兩個具有50%固定佔空比的互補柵極信號，用以驅動Q1和Q2。選擇適當的變壓器匝數比以提供所需的輸出電壓。既不需要反饋電路也不需要信號隔離器，從而縮減了成本和解決方案尺寸。

推挽式轉換器實質上是一種正嚮導出式拓撲(forward-derived topology)。當其以50%的固定佔空比運作時，輸出電壓調節可以使用圖4中的等效電路來詳細闡述。R是次級變壓器繞組和走線的等效電阻。輸出電壓可由式(1)來表達：

式中的VR是電阻器R兩端的電壓降，VF是二極體正向電壓降，這兩者均與負載電流有關。而且，VR和VF還會隨著環境溫度而變化，VOUT亦然。如式(1)所示，除了負載電流和環境溫度之外，VIN也是影響VOUT的一個因素。這些因素根本沒有進行補償，因而有可能導致顯著的輸出電壓變化。這類轉換器之所以被為未調節型，原因即在於此。

與推挽式轉換器相似，未調節型隔離式DC/DC轉換器的其他常用拓撲是半橋和全橋(H橋)式轉換器。由於成本低且電路十分簡單，因此這些未調節型隔離式DC/DC轉換器常被用作DC變壓器，以提供電流隔離。低壓降(LDO)穩壓器通常用作後置穩壓器，以提供低噪聲和低紋波電源。

已調節型隔離式DC/DC轉換器

在未調節型隔離式DC/DC轉換器中，輸入電壓、負載電流和環境溫度均會影響輸出電壓準確度。在那些精準輸出電壓和嚴格調節至關緊要的應用中，這是無法接受的，因而應採用已調節型隔離式DC/DC轉換器。我們以圖5所示的反激式轉換器為例來詳細闡述如何實現嚴格的調節。與未調節型推挽式轉換器(圖3)相比，已調節型反激式轉換器具有一個額外的反饋電路。另外，還採用了一個光耦合器以把控制信號從次級側傳輸至初級側，同時實現電流隔離。

採用光耦合器的優勢在於可以把反饋電路布設在次級側。這樣，就能夠直接感測和調節輸出電壓(即 VSENSE=VOUT)，這反過來又補償了輸入電壓、負載電流和溫度對輸出電壓調節的所有影響。因此，通常可以預期在整個工作輸入電壓、負載電流和溫度範圍內實現1%至3%的嚴格調節準確度。

使用光耦合器也有幾個缺點。首先，光耦合器在控制環路中引入了一個額外的極點，這將降低轉換器帶寬。其次，光耦合器具有很大的逐件變異(unit-to-unit variation)以及電流傳輸比(CTR)中的溫度和壽命劣化，因而使得控制環路設計受到約束。

半調節型隔離式DC/DC轉換器

未調節型隔離式DC/DC轉換器雖然不需要任何光耦合器，但其無法提供任何的調節。與之相反，已調節型隔離式DC/DC轉換器可提供嚴格的輸出電壓調節，然而卻需要使用一個光耦合器。在許多應用中，客戶可能不希望採用光耦合器，但要求對輸出電壓實施一定程度的調節。所謂半調節型隔離式DC/DC轉換器將是合適的解決方案。

從輸出電壓調節的角度來看，半調節型隔離式DC/DC轉換器介乎於未調節型和已調節型隔離式DC/DC轉換器之間。與已調節型隔離式DC/DC轉換器相似，半調節型隔離式DC/DC轉換器也具有一個反饋電路。然而，它並不直接感測和調節輸出。取而代之的是，它只檢測一個與次級側上的輸出電壓相似、但通常參考於初級輸入電壓的電壓。這些方法也許不能實現與已調節型隔離式DC/DC轉換器準確度相同的輸出電壓，但其免除了光耦合器，同時獲得了相當好的輸出電壓調節性能。在本文中討論的三個例子是Fly-Buck轉換器、具有交叉調節輸出的反激式轉換器和初級側調節(PSR)反激式轉換器。

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