通過隔離進(jìn)行供電：隔離式 DCDC 偏置電源解決方案（二）

上一篇文章介紹了隔離電源的一部分方案，下面還有一些主流的隔離電源方案。

1.推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器

推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器是低噪聲、小尺寸隔離電源的常見解決方案。該解決方案由嚴(yán)格調(diào)節(jié)的輸入軌供電，并在具有固定 50% 影響因子的開環(huán)中運(yùn)行。通過在 IC 內(nèi)部集成 MOSFET，可以實(shí)現(xiàn)小尺寸解決方案。

圖 1 顯示了推挽拓?fù)?。推挽拓?fù)涫菍φ蛲負(fù)涞男薷模渲袃蓚€(gè) MOSFET 以地為參考，因此可以使用兩側(cè)，并且不需要外部自舉電路。類似于電路一側(cè)接地的正向轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)ET 的電壓強(qiáng)度是輸入電壓的兩倍。兩個(gè) MOSFET 每半個(gè)周期以 50% 的脈沖因數(shù)相互切換，驅(qū)動(dòng)連接到變壓器中心的繞組。

圖 1：推挽變壓器驅(qū)動(dòng)器

推挽變壓器驅(qū)動(dòng)器是最流行的隔離偏置電源解決方案，這是有充分理由的。這是因?yàn)樗哂谐錾撵`活性，可以支持多路輸出。開環(huán)布置消除了對反饋回路的需要，簡化了設(shè)計(jì)過程。與反激式和反激式轉(zhuǎn)換器相比，推挽式轉(zhuǎn)換器提供較低的初級到次級電容以降低共模噪聲。推挽拓?fù)溥€更有效地使用變壓器的磁芯磁化電流，與反激式或反激式轉(zhuǎn)換器相比，可實(shí)現(xiàn)更小的磁性解決方案。

盡管變壓器驅(qū)動(dòng)器有許多優(yōu)點(diǎn)，但重要的是要記住它們也有缺點(diǎn)。與反激式或反激式轉(zhuǎn)換器不同，變壓器驅(qū)動(dòng)器不支持寬輸入電壓范圍，需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)的輸入電壓。由于沒有閉環(huán)，因此很難滿足反饋的輸出電壓調(diào)節(jié)要求，因此可能需要 LDO。

2.電源模塊

電源模塊已經(jīng)存在了幾十年，有很多解決方案。這些解決方案廣泛可用，并且提供比分立解決方案高得多的集成度。根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、輸出數(shù)量、絕緣等級和調(diào)節(jié)選項(xiàng)，有多種類型的電源模塊。

圖 2 中的框圖顯示了一個(gè)電源模塊內(nèi)部的操作。該拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)類似于離散版本的變壓器驅(qū)動(dòng)器。某些器件可能包含用于調(diào)節(jié)的輸出 LDO。

圖 2：電源模塊

電源模塊有多種選擇，允許電源模塊用于大多數(shù)隔離式偏置轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。電源模塊的使用無需指定、設(shè)計(jì)或選擇變壓器，從而大大簡化了設(shè)計(jì)過程。我們只需要一個(gè)輸入和輸出去耦電容器即可開始設(shè)計(jì)。還提供同步、輸出電壓選擇、激活和故障信號等功能。

但是，如果配置了具體的輸出數(shù)量和變壓器的匝數(shù)，則模塊的靈活性可能會(huì)有所降低。與 55°C 或 85°C 環(huán)境溫度范圍內(nèi)的模塊數(shù)量相比，125°C 環(huán)境溫度范圍內(nèi)的模塊數(shù)量更少。此外，與提供功能絕緣或基本絕緣的產(chǎn)品數(shù)量相比，提供最高級別增強(qiáng)絕緣等級的模塊產(chǎn)品數(shù)量很少。

3.下一代偏置解決方案

變壓器設(shè)計(jì)和高頻拓?fù)浞矫娴膭?chuàng)新使 IC 設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒆儔浩骱凸杓傻絾蝹€(gè) IC 中。這允許最終用戶實(shí)現(xiàn)小型、輕便、隔離的 DC/DC 偏置電源，而無需設(shè)計(jì)單獨(dú)的變壓器或影響系統(tǒng)性能。

圖 3顯示了德州儀器UCC12050的框圖。乍一看，它看起來像是一個(gè)集成了功率級和整流器的電源模塊，但仔細(xì)觀察 UCC12050 的工作原理會(huì)發(fā)現(xiàn)其開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電源模塊的開關(guān)頻率。UCC12050 與其他開關(guān)頻率較低的電源模塊產(chǎn)品相比，可以大大降低高度和重量。內(nèi)部拓?fù)淇刂品桨冈跊]有 LDO 或外部反饋組件的情況下運(yùn)行閉環(huán)。

圖 3：帶有 UCC12050 的隔離式 DC/DC 偏置電源

UCC12050 為各種隔離式 DC/DC 偏置電源應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢。EMI 優(yōu)化變壓器提供的初級到次級電容僅為 3.5pF，并采用低噪聲控制方案。該解決方案本身可以滿足兩層 PCB (PCB) 的 CISPR32 B 類標(biāo)準(zhǔn)，無需使用鐵氧體磁珠或 LDO。這款堅(jiān)固耐用的設(shè)備適用于 5 kVrms 和 1.2 kVrms 工作電壓范圍內(nèi)的增強(qiáng)絕緣，并在 125°C 的環(huán)境溫度下工作。相同的產(chǎn)品系列包括UCC12040產(chǎn)品。該器件適用于 3kVrms 和 800kVrms 工作電壓范圍內(nèi)的基本隔離。

UCC12050 非常適合需要將 500mW 5V 輸入電壓轉(zhuǎn)換為 3.3V 至 5.4V 輸出電壓的應(yīng)用。需要更高輸入或輸出電壓的應(yīng)用可能需要預(yù)轉(zhuǎn)換或后轉(zhuǎn)換。需要比 UCC12050 降額曲線更高功率的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮替代拓?fù)洹?/p>

表 2 比較了上述拓?fù)??？梢钥闯觯褂猛饨幼儔浩鞯耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，電源模塊和UCC12050的易用性非常出色。

表 2：隔離偏置電源拓?fù)浔容^

4.總結(jié)

有多種選項(xiàng)可用于通過隔離柵提供電源。要在這些選項(xiàng)之間進(jìn)行選擇，了解輸出數(shù)量、調(diào)節(jié)條件、輸出功率、絕緣額定值、工作溫度和輸入電壓范圍等規(guī)格非常重要。然后，我們可以選擇滿足任何系統(tǒng)所需要求的解決方案，同時(shí)最大限度地降低成本。