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(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在隔離柵內(nèi)移動(dòng)信號(hào)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(shì)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(hào)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(zhǎng)距離串行通信。與隔離CAN和CANFD信號(hào)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(hào)，然后信號(hào)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(wú)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(jí)、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(lái)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(lái)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和初級(jí)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?，反激拓?fù)鋬H需要一個(gè)初級(jí)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(jiǎn)化原理圖。初級(jí)開關(guān)打開時(shí)，輸入電壓則施加在初級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(lái)匹配您所選的配置。輸出繞組電壓是占空比與初級(jí)繞組和次級(jí)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(shì)包括成本相對(duì)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(duì)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(jí)側(cè)與次級(jí)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)?，其工作輸入電壓可高達(dá)100V。

與反激式轉(zhuǎn)換器一樣，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(jí)側(cè)控制。圖3所示為Fly-Buck轉(zhuǎn)換器。此拓?fù)洳捎猛浇祲恨D(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(jí)側(cè)作為降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，而次級(jí)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(jí)側(cè)利用其儲(chǔ)存的能量對(duì)次級(jí)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(jí)輸出電壓處閉合，因此該轉(zhuǎn)換器無(wú)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(jí)、次級(jí)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(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)間的寄生電容。對(duì)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(wú)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)。推挽式變壓器具有較低的初級(jí)-次級(jí)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(jí)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(wú)需規(guī)定、設(shè)計(jì)或選擇變壓器，因此可大大簡(jiǎn)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125C的模塊相比，55C和85C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SIC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(wú)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(jí)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(lái)與具有集成功率級(jí)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)淇刂品桨福瑹o(wú)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(lái)很多優(yōu)勢(shì)。其設(shè)計(jì)使用EMI優(yōu)化型變壓器，初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的電容僅為3.5pF，采用噪聲控制方案。無(wú)需鐵氧體磁珠或LDO，雙層PCB解決方案本身即符合CISPR32B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125C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(duì)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(duì)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?lái)最大的靈活性，而電源模塊和UCC12050簡(jiǎn)便易用。

表2.隔離式偏置電源拓?fù)鋵?duì)比

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(jí)、工作溫度和輸入電壓范圍等系統(tǒng)級(jí)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。