問(wèn)題：

無(wú)光耦解決方案如何幫助應對隔離式DC-DC設計挑戰？

答案：

幸好，有一種全新的無(wú)光耦反激式DC-DC轉換器解決方案，可省去光耦合器和相關(guān)反饋電路，并且無(wú)需使用第三變壓器繞組。新解決方案還帶來(lái)了新的輸出電壓精度基準。

簡(jiǎn)介

出于安全原因或為了確保復雜系統正常工作，我們有時(shí)需要使用隔離式DC-DC解決方案。傳統的隔離解決方案會(huì )使用光耦合器和附加電路，或者復雜的變壓器設計，以形成跨越隔離柵的反饋環(huán)路，從而調節輸出電壓。各種附加元件使設計變得復雜而龐大。光耦合器會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而退化，降低系統的可靠性。此外，終端設備的外形尺寸越來(lái)越小，給電源所留的空間很有限，增加了散熱管理的難題。在開(kāi)始新的隔離式DC-DC設計時(shí)，系統工程師必須解決所有這些難題。系統工程師需要一種體積小、成本低、高度可靠且易于設計的解決方案?，F在，您可以使用無(wú)光耦解決方案簡(jiǎn)化設計并縮小解決方案尺寸。

在什么情況下使用隔離式DC-DC轉換器？為什么？

各行各業(yè)（比如工廠(chǎng)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、電動(dòng)汽車(chē)、汽車(chē)電子、航空電子、醫療設備、商業(yè)設備等）中的許多電力系統都會(huì )采用隔離式DC-DC轉換器，原因有三：

安全：防止浪涌電流

損壞設備并防止人員受到主電源的傷害。圖1顯示了一個(gè)主電源與次級隔離的電力系統，其中操作人員可能會(huì )接觸到次級。如果沒(méi)有適當的安全隔離措施，發(fā)生雷擊時(shí)，極高的浪涌電壓可能會(huì )通過(guò)設備沖擊操作人員和地面。其后果幾乎是致命的。此處的隔離柵可以將危險的浪涌能量引回主接地，防止其流向操作人員。 

圖1.安全隔離。

避免形成接地環(huán)路：在大型或復雜系統中，不同區域會(huì )存在接地電位差。此處通過(guò)隔離來(lái)避免形成破壞性的接地環(huán)路，并將數字噪聲與精密模擬系統隔離。 

圖2.通過(guò)隔離避免形成接地環(huán)路。

電平轉換：有時(shí)，許多電源軌混合組成的系統會(huì )使用隔離式DC-DC轉換來(lái)生成多個(gè)隔離正向和/或負向輸出電壓。

圖3.電平轉換隔離。

隔離式DC-DC轉換器基本原理

圖4顯示了一個(gè)傳統的隔離式DC-DC轉換器。該解決方案使用光耦合器、誤差放大器和基準電壓源來(lái)構成一個(gè)跨越隔離柵的反饋環(huán)路。在此實(shí)現方案中，輸出電壓通過(guò)誤差放大器進(jìn)行檢測，然后將其與基準電壓進(jìn)行比較。信息通過(guò)光耦合器傳送到隔離柵另一側的主面，主面的控制電路對功率級進(jìn)行調制以調節輸出電壓。

圖4.使用光耦合器和相關(guān)反饋電路的傳統隔離式DC-DC轉換器。

這種解決方案一直都能很好地發(fā)揮其作用，但隨著(zhù)設備尺寸逐漸縮小，導致其幾乎沒(méi)有容身之地。光耦合器、誤差放大器和基準電壓電路共有12個(gè)元件，大大增加了總設計元件數，并占用很大的電路板空間（圖5）。大家自然希望能省去這種電路。

圖5.使用光耦合器、誤差放大器和基準電壓源的傳統反饋電路。

光耦合器還面臨另一個(gè)大問(wèn)題：其性能會(huì )隨溫度變化，并隨著(zhù)時(shí)間推移而下降，從而導致某些應用出現可靠性問(wèn)題。圖6顯示了典型光耦合器的電流傳輸比(CTR)，在-60°C至+120°C溫度范圍內其變化率達270%¹。除此之外，此CTR還會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移下降30%至40%^2,3,4。

圖6.光耦合器集電極電流與環(huán)境溫度的關(guān)系。¹

省去光耦合器

主面控制拓撲：有一種省去光耦合器的方式是采用主面控制法。在此方案中，電源隔離變壓器上的第三繞組用于在“關(guān)斷”周期內間接測量輸出電壓。圖7顯示了這種電路。反射電壓VW與輸出電壓成正比，公式如下： 

其中V_O是輸出電壓，V_F是輸出整流二極管壓降，N_a是第三繞組匝數，N_S是次級繞組匝數。

圖7.使用第三繞組的主面控制。

雖然這種方法可以有效地省去光耦合器，但卻產(chǎn)生了一系列新問(wèn)題：

(a) 添加第三繞組會(huì )使變壓器的設計和構造更復雜，增加更多成本。

(b) 反射電壓與輸出整流二極管電壓V_F相關(guān)。此外，V_F會(huì )隨負載和溫度而變化。這會(huì )導致檢測的輸出電壓出現誤差。

(c) V_W上的漏感振鈴會(huì )進(jìn)一步增加檢測輸出電壓的讀數誤差。

這種主面控制法提供的輸出電壓調節性能不佳，因此在許多應用中并不實(shí)用，迫使設計人員使用后置穩壓器，這會(huì )增加更多成本，并增大總體解決方案的尺寸。

無(wú)光耦反激式拓撲：無(wú)光耦反激式DC-DC轉換器是主面控制法的一種變化形式。這種方式通過(guò)直接檢測主面電壓避免了上述問(wèn)題(a)，所以無(wú)需使用電源變壓器中的第三繞組。這一改進(jìn)顯著(zhù)降低了變壓器設計和構造的復雜性，并且簡(jiǎn)化了PCB布局。圖8描述了這種拓撲。

圖8.無(wú)光耦反激式電路。

反射電壓V_P與輸出電壓成正比，公式如下： 

其中V_O是輸出電壓，V_F是輸出整流二極管壓降，N_P是初級繞組匝數，N_S是次級繞組匝數。

無(wú)光耦反激式拓撲結構并不新鮮，而它仍然受困于上述其他兩個(gè)問(wèn)題(b)和(c)。此例中(c)對應的不是V_W，而是V_P上的漏感振鈴。對于這種無(wú)光耦反激式電路，輸出電壓調節性能不佳仍然是嚴峻的技術(shù)挑戰。

所幸，近來(lái)的電路設計發(fā)展和專(zhuān)有技術(shù)有效地改善了這一瓶頸問(wèn)題。我們來(lái)仔細看看！

克服輸出電壓調節不佳的問(wèn)題

圖9顯示了MAX17690，它提供一種無(wú)光耦反激隔離式DC-DC轉換器解決方案，輸出電壓調節精度達±5%。

圖9.無(wú)光耦反激式電路實(shí)現新的輸出電壓調節基準。

為了消除檢測輸出電壓的讀數誤差，MAX17690在次級電流I_SEC較低時(shí)對反射電壓進(jìn)行采樣。此技術(shù)可減緩由輸出負載引起的二極管壓降變化。這款IC還具有補償二極管電壓及其隨溫度變化的功能。另外還采用先進(jìn)技術(shù)來(lái)濾除漏感振鈴?？傊?，這款IC為無(wú)光耦反激式拓撲帶來(lái)了新的輸出電壓調節基準。

圖10顯示的變體MAX17691還集成了功率FET和電流檢測元件，因此僅需極少外部元件即可構建完整電路。它以一種非常簡(jiǎn)單的形式提供了高性能的隔離式DC-DC轉換器解決方案。

圖10.高度集成的無(wú)光耦反激式解決方案。

MAX17690和MAX17691都能實(shí)現很好的輸出電壓調節。圖11顯示了它們在不同溫度、線(xiàn)路和負載條件下的性能。

圖11.MAX17690/MAX17691輸出電壓調節。新基準！

結論

設備和電路板空間越來(lái)越小，導致使用光耦合器構建反饋環(huán)路的傳統大尺寸隔離式DC-DC轉換器逐漸失去其實(shí)用價(jià)值。此外還有另一道阻礙，光耦合器的性能會(huì )隨溫度變化并隨著(zhù)時(shí)間的推移而下降。無(wú)光耦反激式拓撲更簡(jiǎn)單，需要的外部元件更少，自然是更好的選擇。設計技術(shù)的創(chuàng )新改進(jìn)顯著(zhù)提高了輸出電壓調節性能，使無(wú)光耦反激式DC-DC轉換器具有實(shí)用性，成為隔離電源應用的正確選擇。

參考資料

1. “Optocoupler, Phototransistor Output, Low Input Current, SSOP-4, Half-Pitch, Mini-Flat Package（光耦合器、光電晶體管輸出、低輸入電流、SSOP-4、半間距、小型扁平封裝）。”Vishay Intertechnology, Inc. 2023年1月。

2. “Vishay光耦合器應用筆記，文檔編號：80059。”Vishay Intertechnology, Inc. 2008年1月。

3. “Basic Characteristics and Application Circuit Design of Transistor Couplers（晶體管耦合器的基本特性和應用電路設計）”。Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation，2018年。

4. T. Bajenesco。“CTR Degradation and Ageing Problem of Optocouplers（光耦合器的CTR退化和老化問(wèn)題）。”第四屆固態(tài)和IC技術(shù)國際會(huì )議論文集，1995年10月。 

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。 

關(guān)于作者

Anthony T. Huynh（又名Thong Anthony Huynh）是Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分）的應用工程技術(shù)團隊的主要成員。他在設計和定義隔離式與非隔離式開(kāi)關(guān)電源及電源管理產(chǎn)品方面擁有20多年的經(jīng)驗。他定義了100多種電源管理產(chǎn)品，包括DC-DC轉換器、熱插拔控制器、以太網(wǎng)供電以及世界各大制造商采用的各種系統保護IC。