穿過(guò)隔離柵供電：認識隔離式直流/ 直流偏置電源

電子設計人員使用的工具箱日新月異。要找到適合工作的工具，不僅需要了解手頭上的任務(wù)和現有工具，還要知道如何充分利用這些工具。

對于設計人員來(lái)說(shuō)，在隔離柵內移動(dòng)信號和電源是一項常見(jiàn)的挑戰。為了提高安全性和抗噪性能，或產(chǎn)生較大的電勢差， 可能需要在不同的系統域之間進(jìn)行隔離。

例如，手機充電器通過(guò)內部隔離，可在連接器短路時(shí)防止用戶(hù)觸電。

在工廠(chǎng)機器人等其他應用中，敏感控制電路單獨接地，并與產(chǎn)生較大直流電流、噪聲和接地反彈的電機隔離。

通常在整個(gè)隔離柵中進(jìn)行通信和感應。具有控制器局域網(wǎng) (CAN) 或 CAN 靈活數據速率 (FD) 協(xié)議通信的汽車(chē)應用，通過(guò)集成了隔離組件和收發(fā)器組件的隔離式 CAN 收發(fā)器，可將這類(lèi)信號與汽車(chē)的高壓側隔離。工業(yè)應用也可以使用 CAN 協(xié)議和 RS-485 協(xié)議實(shí)現長(cháng)距離串行通信。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號類(lèi)似，設計人員可使用專(zhuān)為 RS-485 協(xié)議設計的隔離式收發(fā)器。保護繼電器使用隔離式電流和電壓傳感器感應整個(gè)電網(wǎng)中的電力輸送。牽引逆變器和電機驅動(dòng)器接收電機控制器發(fā)出的脈寬調制信號，然后信號經(jīng)過(guò)隔離器向柵極驅動(dòng)器發(fā)出開(kāi)啟或關(guān)閉絕緣柵雙極晶體管的指令。

通過(guò)提供從隔離柵一側到另一側的偏置電源，隔離式偏置轉換器可實(shí)現隔離通信和感應。電流和電壓傳感器、數字隔離器和柵極驅動(dòng)器通常需要 15W 以下甚至低至幾十毫瓦的電源。圖 1 所示為上述每種應用的示例。

隔離式直流/直流偏置電源要求

無(wú)論是具有外部電源開(kāi)關(guān)的控制器、將一個(gè)控制器與多個(gè)電源開(kāi)關(guān)集成的轉換器，還是將多個(gè)控制器、電源開(kāi)關(guān)和變壓器集成為一體的電源模塊，都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。由于偏置電源解決方案種類(lèi)廣泛，涉及的應用也是多種多樣，為了以超低成本符合各類(lèi)規范，全面了解各種應用要求是非常重要的。

圖 1. 隔離式偏置應用。

設計人員至少應了解偏置電源輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出功率要求。一些應用將需要多個(gè)偏置電壓，因此確定每個(gè)輸出的可接受調節范圍至關(guān)重要。隔離等級、環(huán)境工作溫度范圍、電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 等系統要求會(huì )進(jìn)一步驅動(dòng)設計決策。表 1 從極為廣泛的角度展示了隔離式偏置轉換器的四種示例規范。

下面我們來(lái)看隔離式偏置電源拓撲的部分示例。

表 1. 隔離式偏置轉換器規范示例。

反激式

反激式轉換器是一種眾所周知的拓撲結構，數十年來(lái)應用廣泛。這種電源轉換器具有靈活性和低成本等特點(diǎn)，可用于多種 應用。憑借集成場(chǎng)效應晶體管 (FET) 和初級側控制等增強功能，這種拓撲結構更加備受矚目。

與正激、推挽和半橋等降壓拓撲相比，反激拓撲僅需要一個(gè)初級開(kāi)關(guān)、一個(gè)整流器和一個(gè)類(lèi)似變壓器的耦合電感器。 圖 2 所示為轉換器的簡(jiǎn)化原理圖。初級開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)， 入電壓則施加在初級繞組上，在變壓器氣隙內儲存能量。在這種情況下，僅輸出電容器給輸出負載供電。初級開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，儲存在變壓器中的能量則通過(guò)整流器輸送到次級側，為負載和輸出電容器供電。

圖 2.反激式轉換器。

反激式轉換器完全可用作偏置轉換器，原因如下：反激式轉換器能在一個(gè)轉換級內實(shí)現調節和隔離，也可靈活用于多個(gè)輸出。您可選擇輸出繞組數量，然后在變壓器上纏繞線(xiàn)圈，來(lái)匹配您所選的配置。輸出繞組電壓是占空比與初級繞組和次級繞組匝數比的函數。也可以將每一輸出端作為不同的接地基準點(diǎn)，從而滿(mǎn)足系統隔離要求。反激式轉換器的其他優(yōu)勢包括成本相對較低、具有寬的輸入輸出工作電壓范圍。

為了實(shí)現最佳性能，應對反激式變壓器進(jìn)行合理設計。變壓器應良好耦合且漏感低，從而提高效率、實(shí)現最優(yōu)調節，尤其是在多輸出的情況下。此外，還有必要限制初級側與次級側間的寄生電容，從而防止產(chǎn)生過(guò)多的電磁干擾 (EMI)。

Fly-Buck? 轉換器

Fly-Buck 轉換器是德州儀器 (TI) 用于搭建隔離式偏置電源的專(zhuān)用拓撲，其工作輸入電壓可高達 100V。

與反激式轉換器一樣，金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET) 通常集成在集成電路 (IC) 中，可輕松實(shí)現初級側控制。 圖 3 所示為 Fly-Buck轉換器。此拓撲采用同步降壓轉換器與耦合電感器，可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)隔離式輸出。高側開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，初級側作為降壓轉換器運行，而次級繞組電流為零。高側開(kāi)關(guān)關(guān)閉且低側開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，初級側利用其儲存的能量對次級側供電。

圖 3. Fly-Buck? 轉換器。