兩個(gè)可實(shí)現 8W 或更低功率的簡(jiǎn)單隔離式電源選項

本期，我們將聚焦于隔離式輔助電源介紹兩種方法，可以用于降低隔離式輔助電源中的設計復雜性和噪聲耦合。

各種各樣的工業(yè)和汽車(chē)系統都會(huì )使用隔離式輔助電源。在大多數使用反激式或推挽式轉換器來(lái)實(shí)現隔離式輔助電源的現有方法中（請參閱德州儀器 (TI) “混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)的隔離式輔助電源架構和拓撲權衡”和“具有 3 種 IGBT/SiC 輔助電源解決方案的混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器功率級參考設計”），都需要進(jìn)行大量的設計工作，并且依賴(lài)于低漏電感隔離變壓器。

在本期電源設計小貼士中，我將介紹兩種方法，它們都可以降低隔離式輔助電源中的設計復雜性和噪聲耦合。一種方法適用于多個(gè)隔離式輸出和高達 8W 總輸出功率，它使用電感器-電感器-電容器 (LLC) 拓撲，以及半橋驅動(dòng)器，如 TI 的 UCC25800-Q1。第二種方法集成有隔離變壓器，適用于高達 1.5W 的功率和一個(gè)隔離式輸出，它采用單一集成電路 (IC)，如 TI 的 UCC14240-Q1。該器件同時(shí)包含電源和反饋隔離，僅需濾波電容器和電阻分壓器即可完成設計。

由于隔離式電源的復雜性，尤其是在低功率水平下，將會(huì )造成巨大的成本、尺寸和設計資源負擔。最常見(jiàn)的低功耗拓撲是反激式轉換器。常規反激式轉換器使用光耦合器，將輸出電壓從次級側反饋回初級側上的控制器 IC。由于長(cháng)期可靠性問(wèn)題，低成本光耦合器不適合在要求苛刻的汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中選用。即使采用閉環(huán)調節，也只會(huì )真正完全調節其中一個(gè)反激式輸出?？梢圆捎镁邆涑跫墏日{節的反激式轉換器，消除任何光耦合器要求，如 TI 的 LM5180-Q1。然而，對低漏電變壓器的需求及其在噪聲和隔離方面的挑戰仍然存在。

在大多數轉換器拓撲中，低漏電變壓器是穿過(guò)隔離柵高效輸電的關(guān)鍵。一些方法可以減少變壓器漏電感，如緊密耦合的繞組和交錯，它們通常會(huì )增加初級到次級電容。該電容會(huì )傳播來(lái)自隔離式轉換器開(kāi)關(guān)本身以及隔離式輸出所連接電路（如牽引逆變器或車(chē)載充電器中的高側開(kāi)關(guān)）的噪聲。這些開(kāi)關(guān)可能以超過(guò)每納秒 100V 的幅度上下擺動(dòng)。此外，在需要高壓（數千伏）增強隔離和低漏電感的變壓器中，會(huì )造成顯著(zhù)的成本和尺寸負擔。

我這里將重點(diǎn)關(guān)注大約為 8W 或更低的高度隔離電源需求，此時(shí)可用的初級側電源范圍為 12VDC 至 24VDC。當連接到交流電源或 400V 和 800V 電池的電路中需要電源時(shí)，高隔離額定值（3kV 均方根 [RMS] 或更高）是滿(mǎn)足安全隔離要求所必需的。應用示例包括，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器和牽引逆變器中的隔離式輔助電源，它們通常需要大約 +15V 的電壓來(lái)實(shí)現快速開(kāi)關(guān)導通，需要大約 –5V 的電壓來(lái)實(shí)現快速開(kāi)關(guān)關(guān)斷，并且回路連接到大功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極或源極。

一個(gè) IC 實(shí)現多個(gè)輸出和高達 8W 的功率：UCC25800-Q1

利用 LLC 拓撲（請參閱應用手冊“采用 UCC25800-Q1 開(kāi)環(huán) LLC 變壓器驅動(dòng)器的隔離式柵極驅動(dòng)器輔助電源設計”），可在沒(méi)有反饋的情況下實(shí)現隔離式輸出電壓的良好負載調節。此拓撲實(shí)際上使用變壓器的漏電感來(lái)提供軟開(kāi)關(guān)，可以大幅降低主開(kāi)關(guān)中的開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)耦合電容，實(shí)際上可以消除漏電感對輸出調節的影響，因此可以使用高壓隔離變壓器，使初級側和次級側分別位于單獨的線(xiàn)軸上。這使得耦合電容非常低，從而實(shí)現低系統噪聲和高壓（數千伏）增強隔離，滿(mǎn)足安全需求。軟開(kāi)關(guān)與通過(guò)耦合電容器消除漏電感相結合，可以將漏電感化敵為友。

這種方法確實(shí)需要穩定的輸入直流電源來(lái)供電，從而避免對次級側調節的需求。在使用雙開(kāi)關(guān)半橋（用于此處所需的低功率水平）的情況下，會(huì )將一半輸入電壓的方波施加到變壓器初級側。在汽車(chē)應用中，通常會(huì )有 12V 或 24V 穩壓直流電壓以用于其他用途。如果前置穩壓器必不可少，則簡(jiǎn)單的單端初級電感轉換器將會(huì )提供穩定的 15V 或 24V 輸入電源。相比控制低漏電反激式變壓器引起的控制系統噪聲這一挑戰，此前置穩壓器的設計負擔通常要小得多。

已發(fā)布的 UCC25800-Q1 設計示例包括，“適用于牽引逆變器應用的預調節隔離式驅動(dòng)器輔助電源參考設計”：四個(gè)輸出，30V 下總共 6W（如圖 1 和圖 2 所示）；以及“適用于牽引逆變器應用的隔離式 IGBT 和 SiC 驅動(dòng)器輔助電源參考設計”，采用 +16V/–5V，實(shí)現 24V 下最大 6.6W。絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 驅動(dòng)器參考設計中使用的變壓器僅具有 1.3pF 典型值的初級到次級電容，而類(lèi)似功率的反激式變壓器的典型值為 20pF。這一超過(guò) 10 倍的電容減小幅度，表示系統中的噪聲擴散至少會(huì )降低 20dB。僅有的初級和次級接口是變壓器。

圖 1. 來(lái)自預調節參考設計原理圖隔離式四輸出轉換器

圖 2. 預調節參考設計裝配板，包含輸入電壓為 6VIN 的升壓電路

在負載為 10% 最大負載至 100% 最大負載的范圍內，四個(gè)輸出的輸出調節從 16.25V 到 17.27V 不等。

需要低于 2W 隔離式電源時(shí)的一種更簡(jiǎn)單的方法：UCC14240-Q1

更為簡(jiǎn)單的方法是使用自包含隔離式轉換器 IC，其中集成有變壓器和次級到初級反饋，只具有設置正負輸出所需的輸入/輸出電容器和分壓器。功率級包括一個(gè)初級側全橋、一個(gè)具有極低初級到次級電容（約為 3.5pF）以盡可能降低系統噪聲耦合的隔離變壓器，以及一個(gè)全橋輸出整流器。通過(guò)選擇 13MHz 開(kāi)關(guān)頻率，可實(shí)現這種低初級到次級電容，并使其自身的開(kāi)關(guān)噪聲遠離汽車(chē)應用中任何需要關(guān)注的頻帶。IC 的內部反饋使輸入電壓能夠與標稱(chēng)電壓相差 ±10% 以上，并且仍然提供良好調節的正負電壓，達到標稱(chēng)輸出的 1.3% 以?xún)?。?IC 表明拓撲復雜性（完全包含在 IC 中）不會(huì )造成設計負擔。

UCC14240-Q1 在 21VIN 至 27VIN 下工作，適用于牽引逆變器、車(chē)載充電器和電機控制中 IGBT 和 SiC 金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管的柵極驅動(dòng)應用，它使用 +15V 典型正電壓來(lái)導通器件和 –5V 典型負電壓來(lái)關(guān)斷器件。不過(guò)，也允許 18V 至 25V 總電壓范圍內的其他正負電壓組合。

圖 3、圖 4 和圖 5 展示了一個(gè)自包含高隔離示例，該示例具有 3000VRMS 計劃隔離，是“SPI 可編程柵極驅動(dòng)器和輔助電源參考設計”的一部分。U1 是實(shí)際的直流/直流隔離式電源，U3 是智能隔離式柵極驅動(dòng)器，而具有 Q1 和 L1 的 U2 是汽車(chē)電池到直流轉換器。請注意 8mm 初級到次級隔離谷。

圖 3. 來(lái)自汽車(chē)類(lèi)“帶集成變壓器的SPI 可編程柵極驅動(dòng)器和輔助電源參考設計”原理圖隔離式 +15V/–5V 轉換器

圖 4. 汽車(chē)類(lèi) SPI 可編程參考設計裝配板

圖 5. 1.6W 負載汽車(chē)類(lèi) SPI 可編程參考設計熱圖像

憑借這兩種方法，為大功率逆變器和電池充電器中的柵極驅動(dòng)器提供隔離式電源遠構不成一種設計挑戰，而額外的好處是還可以減少系統級射頻噪聲。第一種方法可實(shí)現通過(guò)單個(gè) IC 來(lái)控制多個(gè)隔離式輸出。在第二種方法中，僅具有濾波電容器和分壓電阻器的單一 IC 便可以提供完整的隔離式電源解決方案。