穿過隔離柵供電：認(rèn)識隔離式直流/直流偏置電源

電子設(shè)計(jì)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(wù)和現(xiàn)有工具，還要知道如何充分利用這些工具。

對于設(shè)計(jì)人員來說，在隔離柵內(nèi)移動(dòng)信號和電源是一項(xiàng)常見的挑戰(zhàn)。為了提高安全性和抗噪性能，或產(chǎn)生較大的電勢差，可能需要在不同的系統(tǒng)域之間進(jìn)行隔離。例如，手機(jī)充電器通過內(nèi)部隔離，可在連接器短路時(shí)防止用戶觸電。

在工廠機(jī)器人等其他應(yīng)用中，敏感控制電路單獨(dú)接地，并與產(chǎn)生較大直流電流、噪聲和接地反彈的電機(jī)隔離。

通常在整個(gè)隔離柵中進(jìn)行通信和感應(yīng)。具有控制器局域網(wǎng)（CAN） 或 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 （FD） 協(xié)議通信的汽車應(yīng)用，通過集成了隔離組件和收發(fā)器組件的隔離式 CAN 收發(fā)器，可將這類信號與汽車的高壓側(cè)隔離。工業(yè)應(yīng)用也可以使用 CAN 協(xié)議和 RS-485 協(xié)議實(shí)現(xiàn)長距離串行通信。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號類似，設(shè)計(jì)人員可使用專為 RS-485 協(xié)議設(shè)計(jì)的隔離式收發(fā)器。保護(hù)繼電器使用隔離式電流和電壓傳感器感應(yīng)整個(gè)電網(wǎng)中的電力輸送。牽引逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收電機(jī)控制器發(fā)出的脈寬調(diào)制信號，然后信號經(jīng)過隔離器向柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)出開啟或關(guān)閉絕緣柵雙極晶體管的指令。

通過提供從隔離柵一側(cè)到另一側(cè)的偏置電源，隔離式偏置轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)隔離通信和感應(yīng)。電流和電壓傳感器、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動(dòng)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(yīng)用的示例。

圖 1. 隔離式偏置應(yīng)用

隔離式直流/直流偏置電源要求

無論是具有外部電源開關(guān)的控制器、將一個(gè)控制器與多個(gè)電源開關(guān)集成的轉(zhuǎn)換器，還是將多個(gè)控制器、電源開關(guān)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。由于偏置電源解決方案種類廣泛，涉及的應(yīng)用也是多種多樣，為了以超低成本符合各類規(guī)范，全面了解各種應(yīng)用要求是非常重要的。

設(shè)計(jì)人員至少應(yīng)了解偏置電源輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出功率要求。一些應(yīng)用將需要多個(gè)偏置電壓，因此確定每個(gè)輸出的可接受調(diào)節(jié)范圍至關(guān)重要。隔離等級、環(huán)境工作溫度范圍、電磁干擾 （EMI） 和電磁兼容性 （EMC） 等系統(tǒng)要求會(huì)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)決策。表 1 從極為廣泛的角度展示了隔離式偏置轉(zhuǎn)換器的四種示例規(guī)范。

表 1. 隔離式偏置轉(zhuǎn)換器規(guī)范示例

下面我們來看隔離式偏置電源拓?fù)涞牟糠质纠?/p>

反激式

反激式轉(zhuǎn)換器是一種眾所周知的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)十年來應(yīng)用廣泛。這種電源轉(zhuǎn)換器具有靈活性和低成本等特點(diǎn)，可用于多種應(yīng)用。憑借集成場效應(yīng)晶體管 （FET） 和初級側(cè)控制等增強(qiáng)功能，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加備受矚目。

與正激、推挽和半橋等降壓拓?fù)湎啾龋醇ね負(fù)鋬H需要一個(gè)初級開關(guān)、一個(gè)整流器和一個(gè)類似變壓器的耦合電感器。圖2所示為轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。初級開關(guān)打開時(shí)，輸入電壓則施加在初級繞組上，在變壓器氣隙內(nèi)儲(chǔ)存能量。在這種情況下，僅輸出電容器給輸出負(fù)載供電。初級開關(guān)關(guān)閉時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器中的能量則通過整流器輸送到次級側(cè)，為負(fù)載和輸出電容器供電。

圖 2.反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器完全可用作偏置轉(zhuǎn)換器，原因如下：反激式轉(zhuǎn)換器能在一個(gè)轉(zhuǎn)換級內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和隔離，也可靈活用于多個(gè)輸出。您可選擇輸出繞組數(shù)量，然后在變壓器上纏繞線圈，來匹配您所選的配置。輸出繞組電壓是占空比與初級繞組和次級繞組匝數(shù)比的函數(shù)。也可以將每一輸出端作為不同的接地基準(zhǔn)點(diǎn)，從而滿足系統(tǒng)隔離要求。反激式轉(zhuǎn)換器的其他優(yōu)勢包括成本相對較低、具有寬的輸入輸出工作電壓范圍。

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，應(yīng)對反激式變壓器進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。變壓器應(yīng)良好耦合且漏感低，從而提高效率、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié)，尤其是在多輸出的情況下。此外，還有必要限制初級側(cè)與次級側(cè)間的寄生電容，從而防止產(chǎn)生過多的電磁干擾 （EMI）。

Fly-Buck?轉(zhuǎn)換器

Fly-Buck?轉(zhuǎn)換器是德州儀器 （TI） 用于搭建隔離式偏置電源的專用拓?fù)洌涔ぷ鬏斎腚妷嚎筛哌_(dá) 100V。

與反激式轉(zhuǎn)換器一樣，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET） 通常集成在集成電路 （IC） 中，可輕松實(shí)現(xiàn)初級側(cè)控制。圖 3 所示為 Fly-Buck?轉(zhuǎn)換器。此拓?fù)洳捎猛?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/降壓轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">降壓轉(zhuǎn)換器與耦合電感器，可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)隔離式輸出。高側(cè)開關(guān)打開時(shí)，初級側(cè)作為降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，而次級繞組電流為零。高側(cè)開關(guān)關(guān)閉且低側(cè)開關(guān)打開時(shí)，初級側(cè)利用其儲(chǔ)存的能量對次級側(cè)供電。

圖 3. Fly-Buck?轉(zhuǎn)換器

同步降壓轉(zhuǎn)換器非常普遍，因此 Fly-Buck?轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋫涫芮嗖A。由于反饋環(huán)路可在初級輸出電壓處閉合，因此該轉(zhuǎn)換器無需附加的輔助繞組或光耦合器進(jìn)行控制。耦合電感結(jié)構(gòu)靈活，匝數(shù)比、隔離等級、次級繞組數(shù)和 PWM 占空比均可控，因此適用于各種應(yīng)用。

與反激式轉(zhuǎn)換器一樣，耦合電感器也必須合理設(shè)計(jì)。一定要注意控制漏感和初級側(cè)與次級側(cè)間的寄生電容。對于需要 100V以上輸入的應(yīng)用，您可以使用具有外部 MOSFET 的 Fly-Buck?轉(zhuǎn)換器。

推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器

推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器是適用于低噪聲、小型隔離式電源的常用解決方案，由具有嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)功能的輸入軌供電，開環(huán)運(yùn)行，固定占空比 50%。MOSFET 集成到 IC 中，可實(shí)現(xiàn)緊湊的磁解決方案。

圖 4 所示為推挽式拓?fù)?。推挽式拓?fù)涫钦な诫p端拓?fù)洌袃蓚€(gè) MOSFET 作為接地基準(zhǔn)，因此無需外部自舉電路。與單端正激式轉(zhuǎn)換器類似，F(xiàn)ET 的電壓應(yīng)力是輸入電壓的兩倍。兩個(gè) MOSFET 每隔半個(gè)周期切換一次，占空比為50%，驅(qū)動(dòng)變壓器具有中間抽頭的繞組。

圖 4. 推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器

推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)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(huán)配置省去了反饋環(huán)路，從而簡化設(shè)計(jì)。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(zhuǎn)換器相比，能降低共模噪聲。另外，推挽式拓?fù)淠芨行У乩米儔浩麒F芯的磁化電流，從而實(shí)現(xiàn)比反激式和 Fly-Buck?轉(zhuǎn)換器更小的磁解決方案。

盡管變壓器驅(qū)動(dòng)器具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也應(yīng)注意權(quán)衡利弊。與反激式和 Fly-Buck?轉(zhuǎn)換器不同，變壓器驅(qū)動(dòng)器不支持寬輸入電壓范圍，因此需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)輸入電壓。由于沒有閉合環(huán)路，因此不容易滿足輸出電壓反饋調(diào)節(jié)要求，可能需要低壓降后置穩(wěn)壓器 （LDO）。

電源模塊

電壓模塊具有數(shù)十年的發(fā)展歷史。這類解決方案非常普遍，與分立式實(shí)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(shù)量、隔離等級和調(diào)節(jié)等選項(xiàng)。

圖 5 所示為某電源模塊內(nèi)部運(yùn)行的方框圖。其拓?fù)浒ㄗ儔浩黩?qū)動(dòng)器，與分立式拓?fù)湎嗨?。某些器件可能集成一個(gè)輸出LDO 用于調(diào)節(jié)。

圖 5. 電源模塊

電源模塊提供多種選項(xiàng)，可用于大部分隔離式偏置轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。由于您無需規(guī)定、設(shè)計(jì)或選擇變壓器，因此可大大簡化設(shè)計(jì)過程；只需加入輸入和輸出去耦電容器即可開始設(shè)計(jì)。同樣，也提供同步、輸出電壓選擇、使能和錯(cuò)誤信令等其他選項(xiàng)。

您在使用專門配置輸出數(shù)量和變壓器匝數(shù)比的模塊時(shí)，靈活性可能會(huì)有所降低。與額定環(huán)境溫度為 125°C 的模塊相比，55°C 和 85°C 選項(xiàng)的模塊更受青睞。同樣地，采用完全增強(qiáng)型隔離的模塊數(shù)量也不及采用功能型或基本隔離的模塊。

下一代偏置解決方案

變壓器設(shè)計(jì)創(chuàng)新和更高頻率的拓?fù)湓试S IC 設(shè)計(jì)人員將變壓器和硅芯片集成到一個(gè) IC 中。終端用戶無需設(shè)計(jì)變壓器或降低系統(tǒng)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

盡管 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(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，其開關(guān)頻率比電源模塊高很多。

與開關(guān)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(nèi)部拓?fù)淇刂品桨?，無需 LDO 或外部反饋組件即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。

UCC12050 為各種隔離式直流/直流偏置電源應(yīng)用帶來很多優(yōu)勢。其設(shè)計(jì)使用 EMI 優(yōu)化型變壓器，初級側(cè)與次級側(cè)之間的電容僅為 3.5pF，采用噪聲控制方案。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(biāo)準(zhǔn)。該器件性能強(qiáng)勁，增強(qiáng)型隔離額定值為 5kVrms，額定工作電壓為1.2kVrms，可在 125°C 環(huán)境溫度下運(yùn)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 專用于 5V 輸入、3.3V 至 5.4V 輸出、功率為500mW 的應(yīng)用。要求更高輸入或輸出電壓的應(yīng)用將需要前置或后置轉(zhuǎn)換功能。此外，對于要求功率在 UCC12050 降額曲線以上的設(shè)計(jì)，應(yīng)了解替代拓?fù)洹?/p>

表 2 對上述各種拓?fù)溥M(jìn)行了比較。很明顯，具有外部變壓器的拓?fù)淠軒碜畲蟮撵`活性，而電源模塊和 UCC12050 簡便易用。

表 2.隔離式偏置電源拓?fù)鋵Ρ?/p>

結(jié)論

您身邊有許多隔離式電源可以選擇，但需要了解輸出數(shù)量、調(diào)節(jié)要求、輸出功率、隔離等級、工作溫度和輸入電壓范圍等系統(tǒng)級規(guī)格。為此，您可以選擇這種成本最低、可滿足所有系統(tǒng)要求的解決方案。