無需光耦合器的反激式DC/DC控制器可惠及視頻安保

背景

即使在恐怖主義威脅引起世人高度關注之前，許多公共和私有機構(gòu)也已開始在重要的基礎設施中安裝視頻安保系統(tǒng)了。視頻安保提供了改善態(tài)勢感知、防止惡意破壞、偷盜或其他犯罪、加快反應和管理決策速度以及提高全體人員和公共安全所必需的視覺圖像。從機場到橋梁、從煉油廠到輸油/輸氣管道、從港口到高速公路等等，將視頻安保設備納入其準備計劃之中無不使它們獲益良多。

機場安保的第一道防線是柵欄、關卡和圍墻。特別是諸如油庫、候機樓、甚至行李搬運場地等敏感區(qū)域其安全級別更高，設置有安保檢查點。所有這些區(qū)域以及機場內(nèi)部的大多數(shù)位置通常都是采用監(jiān)控攝像機進行監(jiān)視的。

對視頻安保系統(tǒng)安裝要求最為嚴苛的是賭場，在這里，必須對各種戲法花招和快捷無比的動作進行捕捉、檢查和歸檔，以滿足嚴格的管理條例。有策略性地安放“天眼”攝像機可為安保人員的實體設備資源提供某種補充,從而幫助他們以一種及時和有效的方式來更好地疏導管理擁擠的人群和合理地部署人員。賭博區(qū)域的高質(zhì)量視頻影像為安保專業(yè)人員提供了用于防止作弊和捉獲“出千者”所需的詳細信息。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在零售商店中發(fā)揮著重要的作用，它可作為一種針對潛在犯罪行為的可視化防范措施，并為經(jīng)營者和安保專業(yè)人員提供了用于處理責任索賠、員工偷盜或其他管理問題的工具。因此，當犯罪者在視頻上被抓現(xiàn)行時，商店行竊和員工偷盜的處理就可以更加容易。此外，借助視頻錄像，諸如顧客滑倒、跌倒和責任索賠等事件的了解和處置也會更加準確。

在現(xiàn)今矯正機構(gòu) (如監(jiān)獄、管教所等) 的管理當中，必須例行處置的問題非常之多，走私、暴力、囚犯和警員安全等只是其中的一小部分。因此，在維持秩序和確保安全的工作環(huán)境方面，視頻安保系統(tǒng)起到了前所未有的重要作用。

隨著醫(yī)療保健機構(gòu)規(guī)模的日益擴大并開始提供晝夜不停的護理服務，面對各種各樣的安全風險，它們變得更加容易遭受攻擊。雖然行業(yè)指導準則在其“護理環(huán)境”標準中對不斷提高安全防范水平提出了強制性的要求，但是，在選擇合適的工具以滿足其保護患者、訪客、員工和知識產(chǎn)權 (IP) 的需要方面，擁有決策權的責任者卻是各家醫(yī)院和醫(yī)療保健機構(gòu)。

監(jiān)控攝像機的部署

在大多數(shù)場所中，為了獲得完整的監(jiān)控覆蓋范圍也許需要好幾百部攝像機。監(jiān)視和管理多個位置設施最常用的方法之一是采用具以太網(wǎng)供電 (PoE) 能力的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 攝像機。此類實現(xiàn)方案能夠顯著地簡化攝像機的安裝并降低相關的成本，這是因為數(shù)據(jù)和功率利用同一根電纜進行傳輸， 而且攝像機不必安裝在電源的附近。然而，對于可從一根以太網(wǎng)電纜吸取的最大功率量，則需要謹慎地加以對待。如欲了解可從一個 PoE 接口吸取的最大容許功率的更多信息，請查閱IEEE 802.3af (PoE) 或 IEEE 802.3at (PoE+) 規(guī)范。

監(jiān)控攝像機通常采用 24V DC 或 12V DC 的工作電源電壓，功率級高達 25W。PoE 線路將提供 48V 電壓，該電壓需要進行降壓并由于安全性及故障的原因而與其輸入至輸出隔離開來，從而導致電源變得更加復雜。不過，功率轉(zhuǎn)換技術近期所取得的發(fā)展已使低至中等功率隔離式轉(zhuǎn)換器的設計變得簡單和容易得多。

在隔離型 DC/DC 應用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年，然而，它們卻未必是設計人員的首選。電源設計師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因為它們可降低設計難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點的原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題進一步復雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費大量的時間進行變壓器的設計，而由于可供選擇的市售變壓器品種有限且有可能需要定制變壓器，所以導致此項設計工作變得愈發(fā)復雜。不過，凌力爾特公司近期發(fā)布的 LT3748 隔離型反激式控制器解決了此類反激式轉(zhuǎn)換器設計的諸多難題。

新型反激式 IC 簡化了設計

首先，LT3748 免除了增設光耦合器、副端基準電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時保持了主端與副端之間的隔離 (只有一部分必須橫跨隔離勢壘)。LT3748 運用了一種主端檢測方案，該方案能通過反激式變壓器主端開關節(jié)點波形來檢測輸出電壓。在開關斷開期間，輸出二極管負責向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關節(jié)點電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT3748 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋技術在整個線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了優(yōu)于 ±5% 的總調(diào)節(jié)準確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。

圖 1：采用主端輸出電壓檢測的 LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器

LT3748 可接受一個 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至 IC。由于具有高電壓板上 LDO 并采用 MSOP-16 封裝 (去掉了 4 個引腳以實現(xiàn)額外的高壓引腳間隔)，因此該器件能在高輸入電壓條件下可靠運作。另外，這款器件的板上柵極驅(qū)動器可為一個外部 N 溝道功率 MOSFET 供電，使得它能夠提供高達 50W 左右的功率 (其最大輸出功率取決于外部組件選擇、輸入電壓范圍和輸出電壓)。

此外，LT3748 所運用的邊界模式操作進一步簡化了系統(tǒng)設計，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開關，并在開關電流達到預定電流限值時關斷。于是，它始終工作在連續(xù)導通模式 (CCM) 和不連續(xù)導通模式 (DCM) 的轉(zhuǎn)換之時，這通常被稱為邊界模式或臨界導通模式。

主端輸出電壓檢測

隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器、副端基準電壓和光學驅(qū)動器。光耦合器用于通過光鏈路來傳送輸出電壓反饋信號，同時保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比會隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準確度下降。

LT3748 通過檢測變壓器主端上的輸出電壓免除了增設一個光耦合器、基準電壓和光學驅(qū)動器的需要。如圖 2 所示，輸出電壓可在功率晶體管關斷期間的主端開關節(jié)點波形上準確地測量，其中的 N 為變壓器的匝數(shù)比，VIN 為輸入電壓，而 VC 為最大箝位電壓。LT3748 通過選擇 RFB 和 RREF 以及變壓器的匝數(shù)比來設定輸出電壓。

圖 2：典型的開關節(jié)點波形

由于始終在二極管電流零交叉點上進行反射輸出電壓的采樣，因此負載調(diào)節(jié)性能在邊界模式操作中得到了大幅度的改善。LT3748 通常可提供 ±3% 的負載調(diào)節(jié)。

變壓器的選擇和設計考慮因素

就 LT3748 的成功應用而言，變壓器的規(guī)格和設計可能是最為關鍵的部分了。除了處理高頻隔離型電源變壓器設計的常見注意事項 (實現(xiàn)低漏電感和緊密耦合) 之外，還必須嚴格控制變壓器的匝數(shù)比。由于變壓器副端上的電壓是由主端上的采樣電壓推知的，因此必須嚴格控制匝數(shù)比以確保獲得一致的輸出電壓。各變壓器之間 ±5% 的匝數(shù)比容差有可能在輸出電壓中產(chǎn)生超過 ±5% 的變化。幸運的是，大多數(shù)磁性元件制造商都能夠保證 ±1% 或更好的匝數(shù)比容差指標。

凌力爾特公司與主要的磁性元件制造商進行了合作，以生產(chǎn)供 LT3748 使用的預設計型反激式變壓器。表 1 是一張縮略表，羅列了一些推薦使用的市售變壓器，制造商為 Wurth Electronics 和 Pulse Engineering 公司。完整列表請見 LT3748 的產(chǎn)品手冊。這些變壓器一般能夠承受 1,500V AC 的主端至副端擊穿電壓 (持續(xù)時間為一分鐘)。也可以使用擊穿電壓更高的變壓器和定制變壓器。

表 1：可供 LT3748 使用的市售變壓器

LT3748 可以采用 LTspice 軟件 (免費下載) 與表 1 中所列的任意變壓器來建模。仿真電路包含的信息有：電路啟動的方式、其對于負載階躍的反應、以及電路內(nèi)部不同點上的電壓波形。借助該軟件，可以很容易地完成設計變更并了解相關的變更對其電路性能的影響。

圖 3 示出了一款采用 LT3748 的演示電路板。該電路可接受一個范圍從 22V 至 75V 的輸入電壓，并在高達 2.5A 的電流條件下產(chǎn)生一個隔離型 12V 輸出。

圖 3：LT3748 30W 應用電路 (尺寸：38mm x 19mm x 9.5mm)

結(jié)論

盡管隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設計并不簡單；但是除了采用模塊或復雜的分立式實現(xiàn)方案之外，如今我們有了一種替代方案。基于 LT3748 的電路無需光耦合器、副端基準電壓和光學驅(qū)動器，因而簡化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設計。該器件保持了主端至副端隔離 (只有一部分橫跨隔離勢壘)。容易購置的市售變壓器避免了采用定制變壓器的需要。LT3748 具有一個 5V 至 100V 的工作輸入電壓范圍，并能夠提供高達 50W 左右的連續(xù)輸出功率，從而使其成為眾多安保 IP 攝像機應用的合適之選。