用Fly-Buck轉換器加快隔離式電源軌設計

隔離式偏置電源軌在測試和測量設備、過(guò)程控制、電信系統、樓宇基礎設施、以及工業(yè)自動(dòng)化系統中很常見(jiàn)。傳統上，隔離式電源的設計是一個(gè)冗長(cháng)而又乏味的過(guò)程，因為其中涉及環(huán)路補償、光耦合器、額外的繞組、和/或者初級側電源軌。與低功率級相比，其中涉及的工作量、復雜度、解決方案尺寸、以及成本都過(guò)高。

這份白皮書(shū)將為您介紹：Fly-Buck轉換器可通過(guò)設計簡(jiǎn)單，容易使用，成本劃算的方式生成多個(gè)隔離式電源軌。本文給出了不同應用領(lǐng)域內的實(shí)際示例，以顯示基于Fly-Buck的方法在功率高達15W的低功率隔離式設計方面的有效性。這些示例有助于設計人員找到那些與特定偏置功率要求相近似的解決方案。文中引用的設計示例和資源能夠幫助設計人員更有信心的在系統中設計并運行隔離式電源解決方案。

現代電子系統中的隔離式電源軌

現代電子系統包含大量的分布式電源軌；這些電源軌為多種數字和模擬電路供電。很多系統或子系統，特別是那些需要人工干預的系統，為了保證它們的安全性，需要將它們與主電源隔離開(kāi)來(lái)。這些系統包括工業(yè)過(guò)程控制、樓宇自動(dòng)化、電信基礎設施系統、以及醫療設備，以及其他一些系統。圖1至6給出了幾個(gè)應用了隔離式電源軌的系統示例。Fly-Buck轉換器方法是更簡(jiǎn)單的方法，在這些系統和其它相似應用中生成偏置電源軌。

一個(gè)常見(jiàn)應用領(lǐng)域就是工廠(chǎng)自動(dòng)化，其中的一個(gè)24V DC電源軌或者一個(gè)定制的以太網(wǎng)供電 (PoE) 組成了系統分布式電源骨干的一部分（圖1）。分布于整個(gè)系統中的控制和傳感器塊需要由偏置電源供電；而這些偏置電源要與主電源總線(xiàn)隔離開(kāi)來(lái)。參考設計1中包含一個(gè)為可編程邏輯控制器 (PLC) I/O模塊供電的完整設計。

圖1.工業(yè)應用中的隔離式電源軌

另外一個(gè)常見(jiàn)的應用領(lǐng)域是隔離式DC/DC轉換器或電機控制中的柵極驅動(dòng)偏置電源。MOSFET、IGBT，或基于碳化硅 (SiC) 的功率級需要隔離式電源軌作為驅動(dòng)器，以及控制電路供電；而這些驅動(dòng)器或控制電路也許與電源不在同一側，而是位于隔離邊界的另一側。高側驅動(dòng)器還需要浮動(dòng)偏置電源軌；這些電源軌用高達數百伏電壓與低側電源軌分離開(kāi)來(lái)（圖2）。參考設計2是一個(gè)完整的，針對3相電機控制系統的Fly-Buck偏置電源設計。

圖2. IBGT/SiC/MOSFET柵極驅動(dòng)偏置電源軌

圖3顯示的是具有初級和次級驅動(dòng)器偏置電源的電信DC/DC轉換器。這個(gè)次級側控制器電源源自一個(gè)單個(gè)Fly-Buck轉換器。參考設計3是針對這個(gè)偏置電源的完整參考設計。

圖3.電信DC/DC轉換器偏置電源

醫療設備通常需要隔離功能，以保證病患和操作人員的人身安全。隔離式轉換器使用的另外一個(gè)領(lǐng)域就是為很多高性能運算放大器 (op amp) 和其它放大器類(lèi)型生成雙極電源。隔離式輸出經(jīng)常被用于生成其中一個(gè)電源軌（圖4）。

圖4.用于儀表的雙極 () 電源軌

另外，變壓器隔離還常用于降壓-升壓應用或電壓穩定器。在這些應用中，輸入電壓在標稱(chēng)電源軌電壓的上下大幅波動(dòng)。使用變壓器可以簡(jiǎn)化穩壓器設計，其原因在于變壓器被用來(lái)升壓，而開(kāi)關(guān)DC/DC轉換器可被用來(lái)調節電壓。相對于使用非隔離式轉換器，使用變壓器的拓撲可更易生成低功率、降壓-升壓轉換器（圖5）。

圖5.低功率降壓-升壓轉換器/電源軌穩定器

圖6顯示的是一個(gè)具有-48V電源軌的電信系統。其中需要一個(gè)5V/500mA電源軌；此電源軌并不是以系統返回電源軌 (-48V) 為基準，而是相對于接地。一個(gè)隔離式電源能夠輕易地從-48V輸入電源軌中生成一個(gè)正（或負）電平位移電源軌。

圖6.電平位移電源軌

創(chuàng )建隔離式電源軌

這一部分將介紹幾個(gè)常用的隔離式電源軌生成方法，以及每個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
生成隔離式電源軌的其中一個(gè)方法就是使用反激式轉換器。在10-100W的功率范圍內，反激式的確是創(chuàng )建隔離式電源的一種十分劃算的方法。然而，反激式拓撲設計相對復雜。為了實(shí)現穩定性，它經(jīng)常需要涉及到與補償設計有關(guān)的復雜設計過(guò)程。它還需要針對電壓穩壓的隔離式反饋，而實(shí)現穩壓需要一個(gè)額外的變壓器繞組或光耦合器。功率級本身對于變壓器泄露電感十分敏感。這就需要精細的緩沖器設計，能夠將開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電壓尖峰限定在一個(gè)合理的值。因此，對于電子系統中常用到的功率相對較低的電源軌，反激式解決方案通常就顯得過(guò)于復雜了。簡(jiǎn)言之，對于低功率偏置電源設計來(lái)說(shuō)（10W或更低），反激式不是一個(gè)合適的拓撲。

生成隔離式偏置電源軌的另外一個(gè)常見(jiàn)方法就是使用一個(gè)驅動(dòng)器和變壓器電路，比如說(shuō)，一個(gè)具有中央抽頭變壓器的推挽驅動(dòng)器。當輸入電源經(jīng)過(guò)穩壓，并且功率要求很低時(shí) (1-2W)，這個(gè)開(kāi)環(huán)路方法會(huì )比較有用。對于多變或者功率級較高的輸入電源軌來(lái)說(shuō)，變壓器驅動(dòng)器方法在電路復雜度和/或性能方面沒(méi)有什么吸引力。

對于具有主功率級的系統，可使用主電力轉換級的輔助繞組來(lái)生成輔助偏置電源。這個(gè)過(guò)程已經(jīng)被有經(jīng)驗的設計人員長(cháng)期使用。這樣可以獲得具有成本有效性的解決方案，不過(guò)這一方法也會(huì )使得主功率級的設計因偏置電源的設計與主電源設計混合在一起而變得復雜。此外，這個(gè)方法只在為主電源生成偏置電源時(shí)，以及/或者在主電源周?chē)善秒娫磿r(shí)有用。

什么是Fly-BuckTM轉換器？

Fly-Buck轉換器是一個(gè)同步降壓轉換器，其中的電感器被耦合電感器或反激式變壓器所取代。次級輸出電壓 (VOUT2) 由一個(gè)對次級繞組進(jìn)行整流的二極管生成。如圖7所示，當同步開(kāi)關(guān) (Q2) 接通時(shí)，初級輸出電容器 (COUT1) 在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內對次級輸出電容器 (COUT2) 充電。

圖7. 一個(gè)Fly-Buck轉換器的運行

要獲得Fly-Buck轉換器的詳細說(shuō)明和工作原理，請參見(jiàn)參考文獻4。

Fly-Buck轉換器的優(yōu)點(diǎn)

Fly-Buck轉換器是一個(gè)初級側穩壓 (PSR)拓撲。它無(wú)需隔離式輸出感測，從而避免了對于額外變壓器繞組或光耦合器的需要。如表格1中所示，由于其中具有一個(gè)包含了集成高側和低側開(kāi)關(guān)的65V/100V Fly-Buck系列，使用Fly-Buck進(jìn)行的隔離式偏置電源設計往往變得更加簡(jiǎn)單，尺寸也更加小巧。

如果應用同時(shí)需要隔離式和非隔離式電源軌，Fly-Buck拓撲就是一個(gè)具有高成本有效性的解決方案?？梢栽诓辉黾宇~外系統開(kāi)銷(xiāo)的情況下使用Fly-Buck轉換器（從本質(zhì)上說(shuō)，它是一個(gè)降壓轉換器）的初級輸出。

對于需要多個(gè)隔離式電源軌的系統，由于可以使用變壓器中的多余繞組來(lái)創(chuàng )建額外輸出，而又不會(huì )對整個(gè)設計過(guò)程產(chǎn)生任何影響，Fly-Buck是一個(gè)比較理想的選擇。而對于多個(gè)隔離式輸出來(lái)說(shuō)，專(zhuān)用隔離式反饋環(huán)路的優(yōu)勢就會(huì )大打折扣，其原因在于隔離環(huán)路只是改進(jìn)了一個(gè)輸出的穩壓。參考文獻1-3內有一個(gè)具有3、4、8個(gè)電源軌的完整Fly-Buck解決方案。

Fly-Buck變壓器經(jīng)常使用接近于對稱(chēng)的匝數比。通?？梢允褂迷褦当葹?:1或1:1.5。通常情況下，具有匹配匝數比的變壓器更加小巧。相對來(lái)說(shuō)，反激式設計的匝數比往往是十分不匹配的。

正是由于它的這些優(yōu)點(diǎn)和簡(jiǎn)單性，Fly-Buck轉換器的性能往往會(huì )隨著(zhù)功率級的增加而下降。由于無(wú)源次級側穩壓，Fly-Buck只能被應用于功率較低的情況下。圖8中顯示的是Fly-Buck解決方案在哪些方面比其它方法更具有吸引力。

圖8.針對不同功率等級所建議的隔離式轉換器類(lèi)型

影響Fly-Buck穩壓的因素

Fly-Buck轉換器使用一個(gè)閉合環(huán)路控制器來(lái)調節初級輸出電壓 (VOUT1)。次級輸出 (VOUT2) 由變壓器（磁性）耦合，從初級輸出上進(jìn)行間接調節。次級輸出穩壓是無(wú)源的或者是開(kāi)環(huán)的。以下電路參數會(huì )對次級輸出穩壓產(chǎn)生影響：

• 繞組泄漏電感
• 繞組電阻
• 同步開(kāi)關(guān)RDSON

為了實(shí)現更好的次級輸出 (VOUT2) 穩壓，需要選擇一個(gè)低泄漏（更高耦合度）變壓器。1%或者更低的泄露電感是一個(gè)比較合理的設計目標。

Fly-Buck變壓器或耦合電感器

Fly-Buck拓撲中使用的變壓器是一個(gè)耦合電感器或是一個(gè)反激式變壓器。它就像降壓轉換器中的一個(gè)電感器一樣儲存能量。正激式、半橋、或全橋拓撲中使用的變壓器不儲存能量，或者儲存的能量可以忽略不計，并且不適用于Fly-Buck拓撲。

設計或選擇Fly-Buck磁性元件的最簡(jiǎn)單直接的方法就是將它看作是一個(gè)電感器。通常情況下，（耦合）電感器的選擇是基于電感值、匝數比、以及飽和電流額定值的，而變壓器的設計或選型使用諸如伏秒積、磁通密度、匝數、磁芯體積，以及很多其它參數。大多數工程師更喜歡使用電感和峰值電流額定值等電氣量，而不是磁測量。將Fly-Buck變壓器視為一個(gè)耦合電感器有助于設計人員將注意力放在電路方面。只有在需要定制變壓器時(shí)才需要了解變壓器設計的細節。

很多磁性元件廠(chǎng)商提供Fly-Buck變壓器。參考文獻5內有一個(gè)建議變壓器產(chǎn)品型號列表，以及使用這些產(chǎn)品的參考設計。此外，還有很多現成在售的耦合電感器可用于Fly-Buck設計。任何一款具有合適匝數比的反激式變壓器也可用在Fly-Buck設計中。

Fly-Buck轉換器能夠處理多大功率？

Fly-Buck拓撲在低側開(kāi)關(guān)（同步整流器）導電時(shí)將電力傳輸至次級。在控制開(kāi)關(guān)的占空比 (D=TON/T) 增加時(shí)，同步開(kāi)關(guān)的占空比減少 (1-D)。對于一個(gè)指定的平均次級電流，次級繞組內的峰值電流、初級繞組和同步整流器內的峰值反射電流增加。由于流入變壓器大電流，以及開(kāi)關(guān)阻抗的緣故，穩壓將會(huì )受到影響。這個(gè)阻抗由繞組的電阻和泄露電感，以及同步開(kāi)關(guān)內的電阻組成。

為了保持良好穩壓，Fly-Buck轉換器的占空比應該保持在50%以下 (D ½)。這就為Fly-Buck轉換器的實(shí)際使用設定了一個(gè)最大輸出功率限值。在較低的輸入電壓下，可用功率隨著(zhù)輸入電壓呈線(xiàn)性增加。在較高輸入電壓下，功率輸出受到部件的最大電流能力和輸出電壓的限制。初級側上15V的最大輸出電壓 (VOUT1) 通常能夠滿(mǎn)足大多數實(shí)際應用的需要。用戶(hù)可以按照圖9中數據為TI的Fly-Buck轉換器選擇最大輸出功率（它是最小工作輸入電壓的函數）。

圖9.Fly-Buck轉換器的最大輸出功率

結論

Fly-Buck拓撲是一種操作簡(jiǎn)易，能創(chuàng )建隔離式、雙極、或多電源軌電源的方法。潛在的應用領(lǐng)域包括工業(yè)自動(dòng)化、樓宇基礎設施、電信設備、醫療設備、以及測試和測量系統。相對于其它那些涉及反激式，或分立式變壓器驅動(dòng)器，或者針對低功率偏置電源設計的推挽方法，Fly-Buck拓撲具有多個(gè)優(yōu)勢。TI充分提供的Fly-Buck穩壓器IC產(chǎn)品可以支持高達100V的電源軌，從而滿(mǎn)足了工業(yè)和電信應用的需要。此外，數款現成可用的設計還可以大大減少了隔離式偏置電源解決方案的設計時(shí)間、工作量，以及所需的專(zhuān)業(yè)知識。

參考文獻
1.參考設計PMP7993.1：使用LM5017 FlyBuck為PLC I/O模塊供電
2.參考設計TIDA-00199：用于三相逆變器的寬輸入隔離型IGBT柵極驅動(dòng)Fly-Buck電源-參考設計
3.參考設計PMP7798.1：低功耗隔離式電源 24V => 5V，LM5017
4.Choudhary，Vijay. AN-2292設計一個(gè)隔離式降壓 (Fly-Buck) 轉換器，德州儀器 (TI) 使用說(shuō)明書(shū)，2014年12月
5.Kollman，Robert. 為Fly-Buck轉換器挑選合適的匝數比，EETimes，2014年2月18日
6.下載這些數據表：LM5160A，LM5017，LM5018，LM5019
7.Choudhary，Vijay. Fly-Buck轉換器PCB布局布線(xiàn)技巧，TI Power House，2014年4月1日
8.Choudhary，Vijay. 隔離式電源何時(shí)需要Fly-Buck？ECN，2014年8月4日
9.Xiang Fang與Wei Liu，產(chǎn)品入門(mén)：Fly-Buck在不使用光耦合器的情況下，在降壓轉換器中增加經(jīng)良好穩壓的隔離式輸出，EDN，2014年4月6日
10.現成可用的Fly-Buck參考設計
11.這里有關(guān)于Fly-Buck和寬VIN解決方案的更多信息