隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器在應(yīng)用中的三類電壓調(diào)節(jié)方案，你真的懂嗎？

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器是眾多應(yīng)用所必需的組件，這些應(yīng)用包括了電能計(jì)量、PLC、IGBT驅(qū)動(dòng)器電源、工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)自動(dòng)化等。此類轉(zhuǎn)換器常用于提供電流隔離、改善安全性及提高抗噪聲能力。而且，它們還可用來生成包括雙極性電源軌在內(nèi)的多個(gè)輸出電壓軌。

按照輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度，隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器常常分為三類，即：已調(diào)節(jié)型、未調(diào)節(jié)型和半調(diào)節(jié)型。本文將討論各種不同的調(diào)節(jié)方案和對應(yīng)的拓?fù)?。對影響調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行了詳細(xì)地檢查。這將形成一些可在實(shí)際設(shè)計(jì)中改善調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度的設(shè)計(jì)小貼士。此外，還闡述了每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為選擇針對某種特定應(yīng)用需求的合適解決方案提供指導(dǎo)。

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋與控制

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器通常采用一個(gè)變壓器，以實(shí)現(xiàn)輸出和功率級(jí)輸入的電隔離(圖1)。

圖1：隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的方框圖

在閉環(huán)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中(圖2)，反饋電路負(fù)責(zé)檢測輸出電壓，并通過把檢測電壓與其目標(biāo)值(反饋電壓基準(zhǔn))進(jìn)行比較，以生成一個(gè)誤差。該誤差隨后被用于調(diào)整控制變量(在本例中為占空比)以補(bǔ)償輸出偏差。另外，初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)上的控制電路之間的電流隔離也是必不可少的。此類隔離可通過采用一個(gè)變壓器或光耦合器來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)基準(zhǔn)電壓VREF在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持精準(zhǔn)和穩(wěn)定，那么調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度將主要取決于輸出電壓檢測準(zhǔn)確度(換句話說就是，VSENSE與VOUT相似度的高低)。

圖2：閉環(huán)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋與控制。

未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器(也被稱為"開環(huán)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器")在那些不需要精準(zhǔn)輸出電壓的應(yīng)用中得到了廣泛的使用。一種典型的應(yīng)用是具有 50% 固定占空比的推挽式轉(zhuǎn)換器(圖3)。控制電路僅包括一個(gè)振蕩器和兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，其可產(chǎn)生兩個(gè)具有50%固定占空比的互補(bǔ)柵極信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)Q1和Q2。選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩髟褦?shù)比以提供所需的輸出電壓。既不需要反饋電路也不需要信號(hào)隔離器，從而縮減了成本和解決方案尺寸。

圖3：具有50%固定占空比的未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器。

推挽式轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一種正向?qū)С鍪酵負(fù)?forward-derived topology)。當(dāng)其以50%的固定占空比運(yùn)作時(shí)，輸出電壓調(diào)節(jié)可以使用圖4中的等效電路來詳細(xì)闡述。R是次級(jí)變壓器繞組和走線的等效電阻。輸出電壓可由式(1)來表達(dá)：

式中的VR是電阻器R兩端的電壓降，VF是二極管正向電壓降，這兩者均與負(fù)載電流有關(guān)。而且，VR和VF還會(huì)隨著環(huán)境溫度而變化，VOUT亦然。如式(1)所示，除了負(fù)載電流和環(huán)境溫度之外，VIN也是影響VOUT的一個(gè)因素。這些因素根本沒有進(jìn)行補(bǔ)償，因而有可能導(dǎo)致顯著的輸出電壓變化。這類轉(zhuǎn)換器之所以被為"未調(diào)節(jié)型"，原因即在于此。

圖4：未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器的等效電路。

與推挽式轉(zhuǎn)換器相似，未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的其他常用拓?fù)涫前霕蚝腿珮?H橋)式轉(zhuǎn)換器。由于成本低且電路十分簡單，因此這些未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器常被用作DC變壓器，以提供電流隔離。低壓降(LDO)穩(wěn)壓器通常用作后置穩(wěn)壓器，以提供低噪聲和低紋波電源。

已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

在未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度均會(huì)影響輸出電壓準(zhǔn)確度。在那些精準(zhǔn)輸出電壓和嚴(yán)格調(diào)節(jié)至關(guān)緊要的應(yīng)用中，這是無法接受的，因而應(yīng)采用已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。我們以圖5所示的反激式轉(zhuǎn)換器為例來詳細(xì)闡述如何實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的調(diào)節(jié)。與未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器(圖3)相比，已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)額外的反饋電路。另外，還采用了一個(gè)光耦合器以把控制信號(hào)從次級(jí)側(cè)傳輸至初級(jí)側(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流隔離。

采用光耦合器的優(yōu)勢在于可以把反饋電路布設(shè)在次級(jí)側(cè)。這樣，就能夠直接感測和調(diào)節(jié)輸出電壓(即 VSENSE=VOUT)，這反過來又補(bǔ)償了輸入電壓、負(fù)載電流和溫度對輸出電壓調(diào)節(jié)的所有影響。因此，通常可以預(yù)期在整個(gè)工作輸入電壓、負(fù)載電流和溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1%至3%的嚴(yán)格調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。

使用光耦合器也有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，光耦合器在控制環(huán)路中引入了一個(gè)額外的極點(diǎn)，這將降低轉(zhuǎn)換器帶寬。其次，光耦合器具有很大的"逐件變異"(unit-to-unit variation)以及電流傳輸比(CTR)中的溫度和壽命劣化，因而使得控制環(huán)路設(shè)計(jì)受到約束。

圖5：采用一個(gè)光耦合器的已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器。

半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器雖然不需要任何光耦合器，但其無法提供任何的調(diào)節(jié)。與之相反，已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)，然而卻需要使用一個(gè)光耦合器。在許多應(yīng)用中，客戶可能不希望采用光耦合器，但要求對輸出電壓實(shí)施一定程度的調(diào)節(jié)。所謂"半調(diào)節(jié)型"隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器將是合適的解決方案。

從輸出電壓調(diào)節(jié)的角度來看，半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器介乎于未調(diào)節(jié)型和已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器之間。與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器相似，半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也具有一個(gè)反饋電路。然而，它并不直接感測和調(diào)節(jié)輸出。取而代之的是，它只檢測一個(gè)與次級(jí)側(cè)上的輸出電壓相似、但通常參考于初級(jí)輸入電壓的電壓。這些方法也許不能實(shí)現(xiàn)與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確度相同的輸出電壓，但其免除了光耦合器，同時(shí)獲得了相當(dāng)好的輸出電壓調(diào)節(jié)性能。在本文中討論的三個(gè)例子是Fly-Buck轉(zhuǎn)換器、具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器和初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)反激式轉(zhuǎn)換器。

1. Fly-Buck轉(zhuǎn)換器

Fly-Buck 轉(zhuǎn)換器基本上就是一個(gè)同步降壓型轉(zhuǎn)換器，它具有一個(gè)耦合至其電感器的額外繞組，用以生成一個(gè)隔離式輸出(VOUT)。除了次級(jí)側(cè)上的隔離式輸出之外，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器還在初級(jí)側(cè)上提供了一個(gè)已調(diào)節(jié)輸出(VP)。初級(jí)側(cè)輸出的調(diào)節(jié)方式與獨(dú)立型同步降壓轉(zhuǎn)換器相同，如式(2)：

式中的D為圖6中的降壓開關(guān)Q1的占空比。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)同步開關(guān)Q2導(dǎo)通時(shí)VP反射至次級(jí)側(cè)并被整流為VOUT。等效電路示于圖7。VOUT可利用式(3)來計(jì)算：

圖6：Fly-Buck轉(zhuǎn)換器。

圖7：Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的等效電路

與式(1)和圖4所說明的未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器相似，F(xiàn)ly-Buck的隔離式輸出是VR和VF(它們均取決于負(fù)載電流和溫度)的一個(gè)函數(shù)。然而，VP是一個(gè)由反饋電路調(diào)節(jié)的恒定電壓，這就使得VP(因而也包括VOUT)與VIN無關(guān)。對于Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的隔離式輸出，VIN的影響得到了補(bǔ)償，但是負(fù)載電流和溫度的影響則并未予以補(bǔ)償。于是，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器歸類于半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，輸出電容器COUT放電，提供負(fù)載電流。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，輸出電容器電荷得到補(bǔ)充以保持調(diào)節(jié)作用。實(shí)際上，變壓器或多或少會(huì)有一些漏電感，其決定了次級(jí)繞組中用于對輸出電容器進(jìn)行充電的電流的斜坡上升速率。漏電感和占空比會(huì)影響輸出電壓調(diào)節(jié)。應(yīng)盡可能地減小漏電感并謹(jǐn)慎地選擇最大的工作占空比，以減輕它們對于調(diào)節(jié)的影響。憑借正確的設(shè)計(jì)，大概可以實(shí)現(xiàn)5%至10%(具體數(shù)值取決于負(fù)載電流范圍)的輸出電壓調(diào)節(jié)。

2. 具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器能夠很容易地生成多個(gè)輸出，而不必像其他DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)淠菢映３Ｐ枰鲈O(shè)額外的輸出濾波電感器。在多輸出配置中(圖8)，只有一個(gè)輸出Vaux是直接調(diào)節(jié)的，而其他的VOUT則依靠交叉調(diào)節(jié)。一般地，通過使已調(diào)節(jié)輸出Vaux參考于初級(jí)側(cè)上的輸入VIN，就能免除圖5所示的已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器的光耦合器。次級(jí)側(cè)上的隔離式輸出VOUT可由式(4)給出：

圖8：具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器。

式中的VRs和VRa分別是次級(jí)繞組和輔助繞組的等效電阻電壓降。VRs、VRa、VFD1和VFD2均為其自身電流的函數(shù)。在次級(jí)繞組和輔助繞組中流動(dòng)的電流是不均勻的，因而在VOUT和Vaux之間的負(fù)載調(diào)節(jié)中導(dǎo)致失配。結(jié)果，VOUT的負(fù)載調(diào)節(jié)就沒有Vaux那么好。隔離式輸出與VIN無關(guān)，這表明可獲得優(yōu)良的線路輸入電壓調(diào)節(jié)性能。由于交叉調(diào)節(jié)輸出取決于負(fù)載電流范圍，故而通?？梢詫?shí)現(xiàn)5%至10%的輸出電壓調(diào)節(jié)。

3. PSR反激式轉(zhuǎn)換器

雖然線路輸入電壓調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，但是Fly-Buck和依賴于交叉調(diào)節(jié)的反激式轉(zhuǎn)換器均無法補(bǔ)償負(fù)載電流對輸出電壓調(diào)節(jié)的影響。因此，輸出電壓準(zhǔn)確度取決于負(fù)載電流。PSR反激式轉(zhuǎn)換器(圖9)旨在通過更加準(zhǔn)確地檢測輸出電壓來最大限度地抑制這種依存性。

圖9：PSR 反激式轉(zhuǎn)換器。

通過運(yùn)作于不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)或邊界導(dǎo)通模式(BCM)，次級(jí)電流在每個(gè)開關(guān)周期中恢復(fù)至零。圖10示出了DCM中的輔助繞組電壓分布。PSR反激式轉(zhuǎn)換器通過一個(gè)專用的鑒頻器和采樣器電路在拐點(diǎn)處(此時(shí)的次級(jí)電流近似為零)檢測輔助繞組電壓VSENSE。在采樣點(diǎn)上，由于次級(jí)電流為零，因此在繞組和走線兩端沒有電阻壓降。而且，采樣點(diǎn)處的二極管正向壓降變成一個(gè)常數(shù)VOFFSET，這與實(shí)際負(fù)載電流無關(guān)。于是，檢測電壓變?yōu)椋?/p>

圖10：PSR反激式轉(zhuǎn)換器的電壓檢測方案。

正因?yàn)槿绱?，無論負(fù)載電流怎樣，VSENSE都很好地代表了輸出電壓，僅具有一個(gè)可通過調(diào)整電壓反饋電阻分壓器予以抵消的固定電壓。這樣，負(fù)載電流對于輸出電壓調(diào)節(jié)的影響便得到了最大限度的減弱，并可預(yù)期實(shí)現(xiàn)上佳的負(fù)載調(diào)節(jié)。由于PSR反激式轉(zhuǎn)換器對線路輸入電壓和負(fù)載變動(dòng)均實(shí)施了補(bǔ)償，所以能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于5%的總調(diào)節(jié)性能。

結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)電流隔離和安全性并改善抗噪聲能力，在隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中對次級(jí)側(cè)和初級(jí)側(cè)進(jìn)行了電隔離。功率級(jí)和控制電路都運(yùn)用了這種隔離。輸出電壓的檢測和調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定了輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器擁有最低的成本和最簡單的電路，但沒有調(diào)節(jié)功能。已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可在整個(gè)線路輸入電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)提供嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，但需要使用一個(gè)光耦合器或數(shù)字隔離器IC。半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器則在輸出電壓調(diào)節(jié)和電路復(fù)雜性之間進(jìn)行了折衷。最合適的解決方案應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求來選擇