關(guān)于用Fly-Buck轉(zhuǎn)換器加快隔離式電源軌的方案設(shè)計

作者：德州儀器 (TI) 系統(tǒng)和應(yīng)用工程師Vijay Choudhary

導(dǎo)讀：Fly-Buck及耦合電感器降壓轉(zhuǎn)換器以更低的成本、更小的尺寸，以及更簡單的設(shè)計實現(xiàn)了隔離式和雙極電源軌。

隔離式偏置電源軌在測試和測量設(shè)備、過程控制、電信系統(tǒng)、樓宇基礎(chǔ)設(shè)施、以及工業(yè)自動化系統(tǒng)中很常見。傳統(tǒng)上，隔離式電源的設(shè)計是一個冗長而又乏味的過程，因為其中涉及環(huán)路補償、光耦合器、額外的繞組、和/或者初級側(cè)電源軌。

與低功率級相比，其中涉及的工作量、復(fù)雜度、解決方案尺寸、以及成本都過高。

這份白皮書將為您介紹：Fly-Buck轉(zhuǎn)換器可通過設(shè)計簡單，容易使用，成本劃算的方式生成多個隔離式電源軌。本文給出了不同應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的實際示例，以顯示基于Fly-Buck的方法在功率高達(dá)15W的低功率隔離式設(shè)計方面的有效性。

這些示例有助于設(shè)計人員找到那些與特定偏置功率要求相近似的解決方案。文中引用的設(shè)計示例和資源能夠幫助設(shè)計人員更有信心的在系統(tǒng)中設(shè)計并運行隔離式電源解決方案。

現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的隔離式電源軌

現(xiàn)代電子系統(tǒng)包含大量的分布式電源軌；這些電源軌為多種數(shù)字和模擬電路供電。很多系統(tǒng)或子系統(tǒng)，特別是那些需要人工干預(yù)的系統(tǒng)，為了保證它們的安全性，需要將它們與主電源隔離開來。這些系統(tǒng)包括工業(yè)過程控制、樓宇自動化、電信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、以及醫(yī)療設(shè)備，以及其他一些系統(tǒng)。圖1至6給出了幾個應(yīng)用了隔離式電源軌的系統(tǒng)示例。Fly-Buck轉(zhuǎn)換器方法是更簡單的方法，在這些系統(tǒng)和其它相似應(yīng)用中生成偏置電源軌。

一個常見應(yīng)用領(lǐng)域就是工廠自動化，其中的一個24V DC電源軌或者一個定制的以太網(wǎng)供電 (PoE) 組成了系統(tǒng)分布式電源骨干的一部分（圖1）。分布于整個系統(tǒng)中的控制和傳感器塊需要由偏置電源供電；而這些偏置電源要與主電源總線隔離開來。參考設(shè)計1中包含一個為可編程邏輯控制器 (PLC) I/O模塊供電的完整設(shè)計。

圖1.工業(yè)應(yīng)用中的隔離式電源軌

另外一個常見的應(yīng)用領(lǐng)域是隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器或電機控制中的柵極驅(qū)動偏置電源。MOSFET、IGBT，或基于碳化硅 (SiC) 的功率級需要隔離式電源軌作為驅(qū)動器，以及控制電路供電；而這些驅(qū)動器或控制電路也許與電源不在同一側(cè)，而是位于隔離邊界的另一側(cè)。高側(cè)驅(qū)動器還需要浮動偏置電源軌；這些電源軌用高達(dá)數(shù)百伏電壓與低側(cè)電源軌分離開來（圖2）。參考設(shè)計2是一個完整的，針對3相電機控制系統(tǒng)的Fly-Buck偏置電源設(shè)計。

圖2. IBGT/SiC/MOSFET柵極驅(qū)動偏置電源軌

圖3顯示的是具有初級和次級驅(qū)動器偏置電源的電信DC/DC轉(zhuǎn)換器。這個次級側(cè)控制器電源源自一個單個Fly-Buck轉(zhuǎn)換器。參考設(shè)計3是針對這個偏置電源的完整參考設(shè)計。

圖3.電信DC/DC轉(zhuǎn)換器偏置電源

醫(yī)療設(shè)備通常需要隔離功能，以保證病患和操作人員的人身安全。隔離式轉(zhuǎn)換器使用的另外一個領(lǐng)域就是為很多高性能運算放大器 (op amp) 和其它放大器類型生成雙極電源。隔離式輸出經(jīng)常被用于生成其中一個±電源軌（圖4）。

圖4.用于儀表的雙極 (±) 電源軌

另外，變壓器隔離還常用于降壓-升壓應(yīng)用或電壓穩(wěn)定器。在這些應(yīng)用中，輸入電壓在標(biāo)稱電源軌電壓的上下大幅波動。使用變壓器可以簡化穩(wěn)壓器設(shè)計，其原因在于變壓器被用來升壓，而開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器可被用來調(diào)節(jié)電壓。相對于使用非隔離式轉(zhuǎn)換器，使用變壓器的拓?fù)淇筛咨傻凸β?、降?升壓轉(zhuǎn)換器（圖5）。

圖5.低功率降壓-升壓轉(zhuǎn)換器/電源軌穩(wěn)定器

圖6顯示的是一個具有-48V電源軌的電信系統(tǒng)。其中需要一個5V/500mA電源軌；此電源軌并不是以系統(tǒng)返回電源軌 (-48V) 為基準(zhǔn)，而是相對于接地。一個隔離式電源能夠輕易地從-48V輸入電源軌中生成一個正（或負(fù)）電平位移電源軌。

圖6.電平位移電源軌

創(chuàng)建隔離式電源軌

這一部分將介紹幾個常用的隔離式電源軌生成方法，以及每個方法的優(yōu)缺點。

生成隔離式電源軌的其中一個方法就是使用反激式轉(zhuǎn)換器。在10-100W的功率范圍內(nèi)，反激式的確是創(chuàng)建隔離式電源的一種十分劃算的方法。然而，反激式拓?fù)湓O(shè)計相對復(fù)雜。為了實現(xiàn)穩(wěn)定性，它經(jīng)常需要涉及到與補償設(shè)計有關(guān)的復(fù)雜設(shè)計過程。它還需要針對電壓穩(wěn)壓的隔離式反饋，而實現(xiàn)穩(wěn)壓需要一個額外的變壓器繞組或光耦合器。功率級本身對于變壓器泄露電感十分敏感。這就需要精細(xì)的緩沖器設(shè)計，能夠?qū)㈤_關(guān)節(jié)點的電壓尖峰限定在一個合理的值。因此，對于電子系統(tǒng)中常用到的功率相對較低的電源軌，反激式解決方案通常就顯得過于復(fù)雜了。簡言之，對于低功率偏置電源設(shè)計來說（10W或更低），反激式不是一個合適的拓?fù)洹?/p>

生成隔離式偏置電源軌的另外一個常見方法就是使用一個驅(qū)動器和變壓器電路，比如說，一個具有中央抽頭變壓器的推挽驅(qū)動器。當(dāng)輸入電源經(jīng)過穩(wěn)壓，并且功率要求很低時 (1-2W)，這個開環(huán)路方法會比較有用。對于多變或者功率級較高的輸入電源軌來說，變壓器驅(qū)動器方法在電路復(fù)雜度和/或性能方面沒有什么吸引力。

對于具有主功率級的系統(tǒng)，可使用主電力轉(zhuǎn)換級的輔助繞組來生成輔助偏置電源。這個過程已經(jīng)被有經(jīng)驗的設(shè)計人員長期使用。這樣可以獲得具有成本有效性的解決方案，不過這一方法也會使得主功率級的設(shè)計因偏置電源的設(shè)計與主電源設(shè)計混合在一起而變得復(fù)雜。此外，這個方法只在為主電源生成偏置電源時，以及/或者在主電源周圍生成偏置電源時有用。

什么是Fly-BuckTM轉(zhuǎn)換器？

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器是一個同步降壓轉(zhuǎn)換器，其中的電感器被耦合電感器或反激式變壓器所取代。次級輸出電壓 (VOUT2) 由一個對次級繞組進(jìn)行整流的二極管生成。如圖7所示，當(dāng)同步開關(guān) (Q2) 接通時，初級輸出電容器 (COUT1) 在每個開關(guān)周期內(nèi)對次級輸出電容器 (COUT2) 充電。

圖7. 一個Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的運行

要獲得Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)說明和工作原理，請參見參考文獻(xiàn)4。

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器是一個初級側(cè)穩(wěn)壓 (PSR)拓?fù)洹Ｋ鼰o需隔離式輸出感測，從而避免了對于額外變壓器繞組或光耦合器的需要。如表格1中所示，由于其中具有一個包含了集成高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的65V/100V Fly-Buck系列，使用Fly-Buck進(jìn)行的隔離式偏置電源設(shè)計往往變得更加簡單，尺寸也更加小巧。

如果應(yīng)用同時需要隔離式和非隔離式電源軌，F(xiàn)ly-Buck拓?fù)渚褪且粋€具有高成本有效性的解決方案?？梢栽诓辉黾宇~外系統(tǒng)開銷的情況下使用Fly-Buck轉(zhuǎn)換器（從本質(zhì)上說，它是一個降壓轉(zhuǎn)換器）的初級輸出。

對于需要多個隔離式電源軌的系統(tǒng)，由于可以使用變壓器中的多余繞組來創(chuàng)建額外輸出，而又不會對整個設(shè)計過程產(chǎn)生任何影響，F(xiàn)ly-Buck是一個比較理想的選擇。而對于多個隔離式輸出來說，專用隔離式反饋環(huán)路的優(yōu)勢就會大打折扣，其原因在于隔離環(huán)路只是改進(jìn)了一個輸出的穩(wěn)壓。參考文獻(xiàn)1-3內(nèi)有一個具有3、4、8個電源軌的完整Fly-Buck解決方案。

Fly-Buck變壓器經(jīng)常使用接近于對稱的匝數(shù)比。通常可以使用匝數(shù)比為1:1或1:1.5。通常情況下，具有匹配匝數(shù)比的變壓器更加小巧。相對來說，反激式設(shè)計的匝數(shù)比往往是十分不匹配的。

正是由于它的這些優(yōu)點和簡單性，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器的性能往往會隨著功率級的增加而下降。由于無源次級側(cè)穩(wěn)壓，F(xiàn)ly-Buck只能被應(yīng)用于功率較低的情況下。圖8中顯示的是Fly-Buck解決方案在哪些方面比其它方法更具有吸引力。

圖8.針對不同功率等級所建議的隔離式轉(zhuǎn)換器類型

影響Fly-Buck穩(wěn)壓的因素

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器使用一個閉合環(huán)路控制器來調(diào)節(jié)初級輸出電壓 (VOUT1)。次級輸出 (VOUT2) 由變壓器（磁性）耦合，從初級輸出上進(jìn)行間接調(diào)節(jié)。次級輸出穩(wěn)壓是無源的或者是開環(huán)的。以下電路參數(shù)會對次級輸出穩(wěn)壓產(chǎn)生影響：

?繞組泄漏電感
?繞組電阻
?同步開關(guān)RDSON

為了實現(xiàn)更好的次級輸出 (VOUT2) 穩(wěn)壓，需要選擇一個低泄漏（更高耦合度）變壓器。1%或者更低的泄露電感是一個比較合理的設(shè)計目標(biāo)。

Fly-Buck變壓器或耦合電感器

Fly-Buck拓?fù)渲惺褂玫淖儔浩魇且粋€耦合電感器或是一個反激式變壓器。它就像降壓轉(zhuǎn)換器中的一個電感器一樣儲存能量。正激式、半橋、或全橋拓?fù)渲惺褂玫淖儔浩鞑粌Υ婺芰?，或者儲存的能量可以忽略不計，并且不適用于Fly-Buck拓?fù)洹?/p>

設(shè)計或選擇Fly-Buck磁性元件的最簡單直接的方法就是將它看作是一個電感器。通常情況下，（耦合）電感器的選擇是基于電感值、匝數(shù)比、以及飽和電流額定值的，而變壓器的設(shè)計或選型使用諸如伏秒積、磁通密度、匝數(shù)、磁芯體積，以及很多其它參數(shù)。大多數(shù)工程師更喜歡使用電感和峰值電流額定值等電氣量，而不是磁測量。將Fly-Buck變壓器視為一個耦合電感器有助于設(shè)計人員將注意力放在電路方面。只有在需要定制變壓器時才需要了解變壓器設(shè)計的細(xì)節(jié)。

很多磁性元件廠商提供Fly-Buck變壓器。參考文獻(xiàn)5內(nèi)有一個建議變壓器產(chǎn)品型號列表，以及使用這些產(chǎn)品的參考設(shè)計。此外，還有很多現(xiàn)成在售的耦合電感器可用于Fly-Buck設(shè)計。任何一款具有合適匝數(shù)比的反激式變壓器也可用在Fly-Buck設(shè)計中。

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器能夠處理多大功率？

Fly-Buck拓?fù)湓诘蛡?cè)開關(guān)（同步整流器）導(dǎo)電時將電力傳輸至次級。在控制開關(guān)的占空比 (D=TON/T) 增加時，同步開關(guān)的占空比減少 (1-D)。對于一個指定的平均次級電流，次級繞組內(nèi)的峰值電流、初級繞組和同步整流器內(nèi)的峰值反射電流增加。由于流入變壓器大電流，以及開關(guān)阻抗的緣故，穩(wěn)壓將會受到影響。這個阻抗由繞組的電阻和泄露電感，以及同步開關(guān)內(nèi)的電阻組成。

為了保持良好穩(wěn)壓，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器的占空比應(yīng)該保持在50%以下 (D < ?)。這就為Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的實際使用設(shè)定了一個最大輸出功率限值。在較低的輸入電壓下，可用功率隨著輸入電壓呈線性增加。在較高輸入電壓下，功率輸出受到部件的最大電流能力和輸出電壓的限制。初級側(cè)上15V的最大輸出電壓 (VOUT1) 通常能夠滿足大多數(shù)實際應(yīng)用的需要。用戶可以按照圖9中數(shù)據(jù)為TI的Fly-Buck轉(zhuǎn)換器選擇最大輸出功率（它是最小工作輸入電壓的函數(shù)）。

圖9.Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的最大輸出功率

結(jié)論

Fly-Buck拓?fù)涫且环N操作簡易，能創(chuàng)建隔離式、雙極、或多電源軌電源的方法。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)自動化、樓宇基礎(chǔ)設(shè)施、電信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、以及測試和測量系統(tǒng)。相對于其它那些涉及反激式，或分立式變壓器驅(qū)動器，或者針對低功率偏置電源設(shè)計的推挽方法，F(xiàn)ly-Buck拓?fù)渚哂卸鄠€優(yōu)勢。TI充分提供的Fly-Buck穩(wěn)壓器IC產(chǎn)品可以支持高達(dá)100V的電源軌，從而滿足了工業(yè)和電信應(yīng)用的需要。此外，數(shù)款現(xiàn)成可用的設(shè)計還可以大大減少了隔離式偏置電源解決方案的設(shè)計時間、工作量，以及所需的專業(yè)知識。

參考文獻(xiàn)

參考設(shè)計PMP7993.1：使用LM5017 FlyBuck為PLC I/O模塊供電

參考設(shè)計TIDA-00199：用于三相逆變器的寬輸入隔離型IGBT柵極驅(qū)動Fly-Buck電源-參考設(shè)計

參考設(shè)計PMP7798.1：低功耗隔離式電源 24V => 5V，LM5017

Choudhary，Vijay.AN-2292設(shè)計一個隔離式降壓 (Fly-Buck) 轉(zhuǎn)換器，德州儀器 (TI) 使用說明書，2014年12月

Kollman，Robert.為Fly-Buck轉(zhuǎn)換器挑選合適的匝數(shù)比，EETimes，2014年2月18日

下載這些數(shù)據(jù)表：LM5160A，LM5017，LM5018，LM5019

Choudhary，Vijay. Fly-Buck轉(zhuǎn)換器PCB布局布線技巧，TI Power House，2014年4月1日

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Xiang Fang與Wei Liu，產(chǎn)品入門：Fly-Buck在不使用光耦合器的情況下，在降壓轉(zhuǎn)換器中增加經(jīng)良好穩(wěn)壓的隔離式輸出，EDN，2014年4月6日