非常見問題第214期：您是否知道隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換無需使用光耦合器？

問題：

無光耦解決方案如何幫助應(yīng)對(duì)隔離式DC-DC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？

答案：

幸好，有一種全新的無光耦反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，可省去光耦合器和相關(guān)反饋電路，并且無需使用第三變壓器繞組。新解決方案還帶來了新的輸出電壓精度基準(zhǔn)。

簡介

出于安全原因或?yàn)榱舜_保復(fù)雜系統(tǒng)正常工作，我們有時(shí)需要使用隔離式DC-DC解決方案。傳統(tǒng)的隔離解決方案會(huì)使用光耦合器和附加電路，或者復(fù)雜的變壓器設(shè)計(jì)，以形成跨越隔離柵的反饋環(huán)路，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。各種附加元件使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜而龐大。光耦合器會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，降低系統(tǒng)的可靠性。此外，終端設(shè)備的外形尺寸越來越小，給電源所留的空間很有限，增加了散熱管理的難題。在開始新的隔離式DC-DC設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)工程師必須解決所有這些難題。系統(tǒng)工程師需要一種體積小、成本低、高度可靠且易于設(shè)計(jì)的解決方案。現(xiàn)在，您可以使用無光耦解決方案簡化設(shè)計(jì)并縮小解決方案尺寸。

在什么情況下使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器？為什么？

各行各業(yè)（比如工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、電動(dòng)汽車、汽車電子、航空電子、醫(yī)療設(shè)備、商業(yè)設(shè)備等）中的許多電力系統(tǒng)都會(huì)采用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，原因有三：

安全：防止浪涌電流

損壞設(shè)備并防止人員受到主電源的傷害。圖1顯示了一個(gè)主電源與次級(jí)隔離的電力系統(tǒng)，其中操作人員可能會(huì)接觸到次級(jí)。如果沒有適當(dāng)?shù)陌踩綦x措施，發(fā)生雷擊時(shí)，極高的浪涌電壓可能會(huì)通過設(shè)備沖擊操作人員和地面。其后果幾乎是致命的。此處的隔離柵可以將危險(xiǎn)的浪涌能量引回主接地，防止其流向操作人員。

圖1.安全隔離。

避免形成接地環(huán)路：在大型或復(fù)雜系統(tǒng)中，不同區(qū)域會(huì)存在接地電位差。此處通過隔離來避免形成破壞性的接地環(huán)路，并將數(shù)字噪聲與精密模擬系統(tǒng)隔離。

圖2.通過隔離避免形成接地環(huán)路。

電平轉(zhuǎn)換：有時(shí)，許多電源軌混合組成的系統(tǒng)會(huì)使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換來生成多個(gè)隔離正向和/或負(fù)向輸出電壓。

圖3.電平轉(zhuǎn)換隔離。

隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器基本原理

圖4顯示了一個(gè)傳統(tǒng)的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。該解決方案使用光耦合器、誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源來構(gòu)成一個(gè)跨越隔離柵的反饋環(huán)路。在此實(shí)現(xiàn)方案中，輸出電壓通過誤差放大器進(jìn)行檢測(cè)，然后將其與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。信息通過光耦合器傳送到隔離柵另一側(cè)的主面，主面的控制電路對(duì)功率級(jí)進(jìn)行調(diào)制以調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖4.使用光耦合器和相關(guān)反饋電路的傳統(tǒng)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

這種解決方案一直都能很好地發(fā)揮其作用，但隨著設(shè)備尺寸逐漸縮小，導(dǎo)致其幾乎沒有容身之地。光耦合器、誤差放大器和基準(zhǔn)電壓電路共有12個(gè)元件，大大增加了總設(shè)計(jì)元件數(shù)，并占用很大的電路板空間（圖5）。大家自然希望能省去這種電路。

圖5.使用光耦合器、誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源的傳統(tǒng)反饋電路。

光耦合器還面臨另一個(gè)大問題：其性能會(huì)隨溫度變化，并隨著時(shí)間推移而下降，從而導(dǎo)致某些應(yīng)用出現(xiàn)可靠性問題。圖6顯示了典型光耦合器的電流傳輸比(CTR)，在-60°C至+120°C溫度范圍內(nèi)其變化率達(dá)270%1。除此之外，此CTR還會(huì)隨著時(shí)間的推移下降30%至40%2,3,4。

圖6.光耦合器集電極電流與環(huán)境溫度的關(guān)系。1

省去光耦合器

主面控制拓?fù)洌河幸环N省去光耦合器的方式是采用主面控制法。在此方案中，電源隔離變壓器上的第三繞組用于在“關(guān)斷”周期內(nèi)間接測(cè)量輸出電壓。圖7顯示了這種電路。反射電壓VW與輸出電壓成正比，公式如下：

其中VO是輸出電壓，VF是輸出整流二極管壓降，Na是第三繞組匝數(shù)，NS是次級(jí)繞組匝數(shù)。

圖7.使用第三繞組的主面控制。

雖然這種方法可以有效地省去光耦合器，但卻產(chǎn)生了一系列新問題：

(a)添加第三繞組會(huì)使變壓器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造更復(fù)雜，增加更多成本。

(b)反射電壓與輸出整流二極管電壓VF相關(guān)。此外，VF會(huì)隨負(fù)載和溫度而變化。這會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)的輸出電壓出現(xiàn)誤差。

(c)VW上的漏感振鈴會(huì)進(jìn)一步增加檢測(cè)輸出電壓的讀數(shù)誤差。

這種主面控制法提供的輸出電壓調(diào)節(jié)性能不佳，因此在許多應(yīng)用中并不實(shí)用，迫使設(shè)計(jì)人員使用后置穩(wěn)壓器，這會(huì)增加更多成本，并增大總體解決方案的尺寸。

無光耦反激式拓?fù)洌簾o光耦反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器是主面控制法的一種變化形式。這種方式通過直接檢測(cè)主面電壓避免了上述問題(a)，所以無需使用電源變壓器中的第三繞組。這一改進(jìn)顯著降低了變壓器設(shè)計(jì)和構(gòu)造的復(fù)雜性，并且簡化了PCB布局。圖8描述了這種拓?fù)洹?

圖8.無光耦反激式電路。

反射電壓VP與輸出電壓成正比，公式如下：

其中VO是輸出電壓，VF是輸出整流二極管壓降，NP是初級(jí)繞組匝數(shù)，NS是次級(jí)繞組匝數(shù)。

無光耦反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不新鮮，而它仍然受困于上述其他兩個(gè)問題(b)和(c)。此例中(c)對(duì)應(yīng)的不是VW，而是VP上的漏感振鈴。對(duì)于這種無光耦反激式電路，輸出電壓調(diào)節(jié)性能不佳仍然是嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

所幸，近來的電路設(shè)計(jì)發(fā)展和專有技術(shù)有效地改善了這一瓶頸問題。我們來仔細(xì)看看！

克服輸出電壓調(diào)節(jié)不佳的問題

圖9顯示了MAX17690，它提供一種無光耦反激隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，輸出電壓調(diào)節(jié)精度達(dá)±5%。

圖9.無光耦反激式電路實(shí)現(xiàn)新的輸出電壓調(diào)節(jié)基準(zhǔn)。

為了消除檢測(cè)輸出電壓的讀數(shù)誤差，MAX17690在次級(jí)電流ISEC較低時(shí)對(duì)反射電壓進(jìn)行采樣。此技術(shù)可減緩由輸出負(fù)載引起的二極管壓降變化。這款I(lǐng)C還具有補(bǔ)償二極管電壓及其隨溫度變化的功能。另外還采用先進(jìn)技術(shù)來濾除漏感振鈴?？傊?，這款I(lǐng)C為無光耦反激式拓?fù)鋷砹诵碌妮敵鲭妷赫{(diào)節(jié)基準(zhǔn)。

圖10顯示的變體MAX17691還集成了功率FET和電流檢測(cè)元件，因此僅需極少外部元件即可構(gòu)建完整電路。它以一種非常簡單的形式提供了高性能的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案。

圖10.高度集成的無光耦反激式解決方案。

MAX17690和MAX17691都能實(shí)現(xiàn)很好的輸出電壓調(diào)節(jié)。圖11顯示了它們?cè)诓煌瑴囟?、線路和負(fù)載條件下的性能。

圖11.MAX17690/MAX17691輸出電壓調(diào)節(jié)。新基準(zhǔn)！

結(jié)論

設(shè)備和電路板空間越來越小，導(dǎo)致使用光耦合器構(gòu)建反饋環(huán)路的傳統(tǒng)大尺寸隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器逐漸失去其實(shí)用價(jià)值。此外還有另一道阻礙，光耦合器的性能會(huì)隨溫度變化并隨著時(shí)間的推移而下降。無光耦反激式拓?fù)涓唵危枰耐獠吭?，自然是更好的選擇。設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新改進(jìn)顯著提高了輸出電壓調(diào)節(jié)性能，使無光耦反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器具有實(shí)用性，成為隔離電源應(yīng)用的正確選擇。

參考資料

1. “Optocoupler, Phototransistor Output, Low Input Current, SSOP-4, Half-Pitch, Mini-Flat Package（光耦合器、光電晶體管輸出、低輸入電流、SSOP-4、半間距、小型扁平封裝）?！盫ishay Intertechnology, Inc. 2023年1月。

2. “Vishay光耦合器應(yīng)用筆記，文檔編號(hào)：80059?！盫ishay Intertechnology, Inc. 2008年1月。

3. “Basic Characteristics and Application Circuit Design of Transistor Couplers（晶體管耦合器的基本特性和應(yīng)用電路設(shè)計(jì)）”。Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation，2018年。

4. T. Bajenesco。“CTR Degradation and Ageing Problem of Optocouplers（光耦合器的CTR退化和老化問題）。”第四屆固態(tài)和IC技術(shù)國際會(huì)議論文集，1995年10月。