穿过隔离栅供电:认识隔离式直流/ 直流偏置电源

2020-05-12来源: EEWORLD关键字:穿过隔离栅供电

对于设计人员来说,在隔离栅内移动信号和电源是一项常见的挑战。为了提高安全性和抗噪性能,或产生较大的电势差, 可能需要在不同的系统域之间进行隔离。例如,手机充电器通 过内部隔离,可在连接器短路时防止用户触电。

 


在工厂机器人等其他应用中,敏感控制电路单独接地,并与产生较大直流电流、噪声和接地反弹的电机隔离。通常在整个隔离栅中进行通信和感应。具有控制器局域网 (CAN) 或 CAN 灵活数据速率 (FD) 协议通信的汽车应用,通过 集成了隔离组件和收发器组件的隔离式 CAN 收发器,可将这 类信号与汽车的高压侧隔离。工业应用也可以使用 CAN 协议和 RS-485 协议实现长 距离串行通信。与隔离 CAN 和 CAN FD 信号类似,设计人员 可使用专为 RS-485 协议设计的隔离式收发器。保护继电器使 用隔离式电流和电压传感器感应整个电网中的 电力输送。牵引逆变器和电机驱动器接收电机控制器发出的脉宽调制信号,然后信号经过隔离器向栅极驱动器发出开启 或关闭绝缘栅双极晶体管的指令。通过提供从隔离栅一侧到另一侧的偏置电源,隔离式偏置转 换器可实现隔离通信和感应。电流和电压传感器、数字隔离器 和栅极驱动器通常需要 15W 以下甚至低至几十毫瓦的电源。 图 1 所示为上述每种应用的示例。

 

隔离式直流/直流偏置电源要求无论是具有外部电源开关的控制器、将一个控制器与多个电 源开关集成的转换器,还是将多个控制器、电源开关和变压器集成为一体的电源模块,都有许多可提供隔离式偏置电源的解决方案。由于偏置电源 解决方案种类广泛,涉及的应用也是多种多样,为了以超低成 本符合各类规范,全面了解各种应用要求是非常重要的。

 

 

 

设计人员至少应了解偏置电源输入电压范围、输出电压和输 出功率要求。一些应用将需要多个偏置电压,因此确定每个输 出的 可接受调节范围至关重要。隔离等级、环境工作温度范围、电 磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC) 等系统要求会进一步驱动 设计决策。表 1 从极为广泛的角度展示了隔离式偏置转换器 的四种示例规范。 下面我们来看隔离式偏置电源拓扑的部分示例。

 

 

反激式

 

反激式转换器是一种众所周知的拓扑结构,数十年来应用广 泛。这种电源转换器具有灵活性和低成本等特点,可用于多种 应用。凭借集成场效应晶体管 (FET) 和初级侧控制等增强功 能,这种拓扑结构更加备受瞩目。 与正激、推挽和半桥等降压拓扑相比,反激拓扑仅需要一个初 级开关、一个整流器和一个类似变压器的耦合电感器。 图 2 所示为转换器的简化原理图。初级开关打开时, 输入电压则施加在初级绕组上,在变压器气隙内储存能量。在 这种情况下,仅输出电容器给输出负载供电。初级开关关闭 时,储存在变压器中的能量则通过整流器输送到次级侧,为负 载和输出电容器供电。

 

反激式转换器完全可用作偏置转换器,原因如下:反激式转换 器能在一个转换级内实现调节和隔离,也可灵活用于多个输 出。您可选择输出绕组数量,然后在变压器上缠绕线圈,来匹 配您所选的配置。输出绕组电压是占空比与初级绕组和次级 绕组匝数比的函数。也可以将每一输出端作为不同的接地基 准点,从而满足系统隔离要求。反激式转换器的其他优势包括 成本相对较低、具有宽的输入输出工作电压范围。 为了实现最佳性能,应对反激式变压器进行合理设计。变压器 应良好耦合且漏感低,从而提高效率、实现最优调节,尤其是 在多输出的情况下。 此外,还有必要限制初级侧与次级侧间 的寄生电容,从而防止产生过多的电磁干扰 (EMI)。

 

Fly-Buck™ 转换器

 

Fly-Buck 转换器是德州仪器 (TI) 用于搭建隔离式偏置电源 的专用拓扑,其工作输入电压可高达 100V。 与反激式转换器一样,金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 通常集成在集成电路 (IC) 中,可轻松实现初级侧 控制。 图 3 所示为 Fly-Buck转换器。 此拓扑采用同步降压转 换器与耦合电感器,可产生一个或多个隔离式输出。高侧开关 打开时,初级侧作为降压转换器运行,而次级绕组电流为零。 高侧开关关闭且低侧开关打开时,初级侧利用其储存的能量 对次级侧供电。

 

 

同步降压转换器非常普遍,因此 Fly-Buck 转换器拓扑备受青 睐。由于反馈环路可在初级输出电压处闭合,因此该转换器无 需附加的辅助绕组或光耦合器 进行控制。耦合电感结构灵活,匝数比、隔离等级、次级绕组数 和 PWM 占空比均可控,因此适用于各种应用。 与反激式转换器一样,耦合电感器也必须合理设计。一定要注 意控制漏感和初级侧与次级侧间的寄生电容。对于需要 100V 以上输入的应用,您可以使用具有外部 MOSFET 的 Fly-Buck 转换器。

 

推挽式变压器驱动器 推挽式变压器驱动器是适用于低噪声、小型隔离式电源的常 用解决方案,由具有严格电压调节功能的输入轨供电,开环运 行,固定占空比 50%。MOSFET 集成到 IC 中,可实现紧凑的 磁解决方案。

 

图 4 所示为推挽式拓扑。 推挽式拓扑是正激式双端拓扑,有 两个 MOSFET 作为接地基准,因此无需外部自举电路。与单 端正激式转换器类似,FET 的电压应力是输入电压的两倍。两 个 MOSFET 每隔半个周期切换一次,占空比为 50%,驱动变 压器具有中间抽头的绕组。

 

 

推挽式变压器驱动器是一种普遍的隔离式偏置电源解决方 案,原因如下:它具有灵活性,能支持多路输出;其开环配置 省去了反馈环路,从而简化设计。推挽式变压器具有较低的 初级-次级电容,与反激式和 Fly-Buck 转换器相比,能降低共 模噪声。另外,推挽式拓扑能更有效地利用变压器铁芯的磁化 电流, 从而实现比反激式和 Fly-Buck 转换器更小的磁解决方案。

 

尽管变压器驱动器具有许多优点,但也应注意权衡利弊。与反 激式和 Fly-Buck 转换器不同,变压器驱动器不支持宽输入电 压范围,因此需要严格调节输入电压。由于没有闭合环路,因 此不容易满足输出电压反馈调节要求,可能需要低压降后置 稳压器 (LDO)。 电源模块 电压模块具有数十年的发展历史。这类解决方案非常普遍,与 分立式实施方式相比,可显著提高集成度。电源模块种类繁 多,可提供输入电压、输出电压、输出功率、输出数量、隔离等 级和调节等选项。 图 5 所示为某电源模块内部运行的方框图。 其拓扑包括变压 器驱动器,与分立式拓扑相似。某些器件可能集成一个输出 LDO 用于调节。

 

 

电源模块提供多种选项,可用于大部分隔离式偏置转换器应 用。由于您无需规定、设计或选择变压器,因此可大大简化设 计过程;只需加入输入和输出去耦电容器即可开始设计。同 样,也提供同步、输出电压选择、使能和错误信令等其他选项。 您在使用专门配置输出数量和变压器匝数比的模块时,灵 活性可能会有所降低。与额定环境温度为 125°C 的模块相 比,55°C 和 85°C 选项的模块更受青睐。同样地,采用完全增 强型隔离的模块数量也不及采用功能型或基本隔离的模块。

 

下一代偏置解决方案

 

变压器设计创新和更高频率的拓扑允许 IC 设计人员将变压 器和硅芯片集成到一个 IC 中。终端用户无需设计变压器或降 低系统性能,即可获得小型轻量级的隔离式直流/ 直流偏置电源。 图 6 所示为德州仪器 (TI) 偏置电源的方框图。 UCC12050.尽管 UCC12050 看起来与具有集成功率级和整 流器的电源模块类似,但研究 UCC12050 的运行后发现,其 开关频率比电源模块高很多。 与开关频率较低的其他电源相比,UCC12050 的高度和重量 都显著降低。使用内部拓扑控制方案,无需 LDO 或外部反馈 组件即可实现闭环运行。

 

 

UCC12050 为各种隔离式直流/直流偏置电源应用带来很多 优势。其设计使用 EMI 优化型变压器,初级侧与次级侧之间 的电容仅为 3.5pF,采用噪声控制方案。无需铁氧体磁珠或 LDO,双层 PCB 解决方案本身即符合 CISPR32 B 类标准。该 器件性能强劲,增强型隔离额定值为 5kVrms,额定工作电压 为 1.2kVrms,可在 125°C 环境温度下运行。该器件系列还包 括 UCC12040,其基本隔离额定值为 3kVrms,额定工作电压 为 800Vrms。 UCC12050 专用于 5V 输入、3.3V 至 5.4V 输出、功率为 500mW 的应用。要求更高输入或输出电压的应用将需要前 置或后置转换功能。此外,对于要求功率在 UCC12050 降额 曲线以上的设计,应了解替代拓扑。

 

表 2 对上述各种拓扑进行了比较。 很明显,具有外部变压器 的拓扑能带来最大的灵活性,而电源模块和 UCC12050 简 便易用。

 

 

结论

 

您身边有许多隔离式电源可以选择,但需要了解输出数量、调 节要求、输出功率、隔离等级、工作温度和输入电压范围等系 统级规格。为此,您可以选择这种成本最低、可满足所有系统 要求的解决方案。

关键字:穿过隔离栅供电 编辑:muyan 引用地址:http://news.2689mr.com/dygl/ic496758.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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