隔離式放大器是如何代替光耦合器/分流調節器的

設計人員設計隔離式AC-DC、DC-DC或DOSA兼容型電源模塊時(shí)，面臨著(zhù)以更佳的性能應對市場(chǎng)需求的挑戰。本文介紹數字隔離器誤差放大器，它可改進(jìn)初級端控制架構的瞬態(tài)響應和工作溫度范圍。傳統的初級端控制器應用是利用光耦合器提供反饋回路隔離，利用分流調節器提供誤差放大器和基準電壓。雖然光耦合器作為隔離器用于電源中具有成本低廉的優(yōu)勢，但它會(huì )將最大環(huán)路帶寬限制在50kHz，而且實(shí)際帶寬會(huì )低得多?？焖倏煽康臄底指綦x器電路在單封裝內集成隔離式誤差放大器和精密基準電壓源功能，使用該電路可實(shí)現極低溫漂和極高帶寬的精密隔離式誤差放大器。隔離式誤差放大器能實(shí)現250 kHz以上的環(huán)路帶寬，使得以更高開(kāi)關(guān)速度工作的隔離式初級電源設計成為可能。借助正確的電源拓撲，更高的開(kāi)關(guān)速度可支持在更為緊湊的電源中使用更小的輸出濾波器電感和電容。

我們首先將討論一個(gè)反激式轉換器拓撲，因為就元器件數目而言，它是最簡(jiǎn)單的電路。反激式電路使用最少的開(kāi)關(guān);本例中，僅在初級端使用了一個(gè)開(kāi)關(guān)，并在次級端使用了一個(gè)整流二極管。簡(jiǎn)單反激式電路通常用于輸出功率相對較低的應用中，但它確實(shí)具有高輸出紋波電流和低交越頻率，因為存在右半平面(RHP)零點(diǎn)。結果，反激式電路需要具備較大輸出紋波電流額定值的大輸出電容。圖1顯示采用光耦合器的方式，分流調節器在其中用作隔離式輸出電壓Vo的反饋電壓誤差放大器。分流調節器用作精確標準時(shí)，可提供精度典型值為2%的基準電壓。輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓，然后由內部誤差放大器將其與分流調節器的基準電壓進(jìn)行比較，比較結果輸出至光耦合器的LED電路。光耦合器LED由輸出電壓和串聯(lián)電阻偏置，所需的電流量根據光耦合器電流傳輸(CTR)特性確定。

圖1. 帶光耦合器和分流調節器的反激式調節器框圖CTR為晶體管輸出電流和LED輸入電流之比。CTR的特性不是線(xiàn)性的，因光耦合器而異。如圖2所示，光耦合器CTR值會(huì )在整個(gè)工作壽命內變化，對設計穩定性提出挑戰。今天設計并測試的光耦合器其初始CTR通常具有2比1的不確定性，但長(cháng)期工作在高功率和高密度電源的高溫環(huán)境下，幾年以后CTR將下降40%。將光耦合器用作線(xiàn)性器件時(shí)，它具有相對較慢的傳輸特性(小信號帶寬約50 kHz)，因此對電源的環(huán)路響應也較慢。對于反激式拓撲而言，較慢的傳輸特性可能并不存在任何問(wèn)題，因為該拓撲要求針對降低環(huán)路帶寬而對誤差放大器作出補償，以便輸出穩定。問(wèn)題在于，隨著(zhù)時(shí)間的推移，光耦合器輸出特性的變化可能會(huì )迫使設計人員進(jìn)一步降低環(huán)路響應，以確保環(huán)路的穩定性。環(huán)路響應較慢的缺點(diǎn)在于這樣做會(huì )使瞬態(tài)響應性能下降，且負載瞬態(tài)之后的輸出電壓需更長(cháng)的時(shí)間才能恢復。增加一個(gè)更大的輸出電容有助于減少輸出電壓的下降，但會(huì )增加輸出響應時(shí)間。這樣做會(huì )導致電源設計更復雜且更為昂貴；而尺寸更小、成本更低的解決方案是可以實(shí)現的。

圖2. 光耦合器CTR下降

前文說(shuō)明了光耦合器作為線(xiàn)性隔離器使用時(shí)在工作穩定性方面的困難;了解之后，便能檢查隔離式誤差放大器隨時(shí)間和極端溫度變化提供穩定可靠性能的能力。如圖3所示，現以寬帶運算放大器和1.225 V基準電壓源部分代替分流調節器和VREF功能，并以基于數字隔離器技術(shù)的快速線(xiàn)性隔離器代替光耦合器。器件右側的運算放大器具有同相引腳+IN(連接至內部1.225 V基準電壓源)和反相引腳-IN，可用于隔離式DC-DC轉換器輸出的反饋電壓連接(使用分壓器實(shí)現連接)。COMP引腳為運算放大器輸出，在補償網(wǎng)絡(luò )中可連接電阻和電容元件。COMP引腳從內部驅動(dòng)發(fā)送器模塊，將運算放大器輸出電壓轉換為調制脈沖輸出，用于驅動(dòng)數字隔離變壓器。在隔離式誤差放大器左側，變壓器輸出信號解碼后轉換為電壓，驅動(dòng)放大器模塊。放大器模塊產(chǎn)生EAOUT引腳上的誤差放大器輸出，驅動(dòng)DC-DC電路中PWM控制器的輸入。

圖4. 隔離式誤差放大器輸出精度與溫度的關(guān)系

這款最新的隔離式誤差放大器的優(yōu)勢包括：基準電壓源和運算放大器設計為溫度范圍內具有最小的失調和增益誤差漂移。1.225 V基準電壓源電路在溫度范圍內的精度調整為1%，比分流調節器更精確，且漂移量更低。如圖4所示，隔離式誤差放大器的典型輸出特性在-40℃至+125℃范圍內的變化量?jì)H為0.2%，實(shí)現了高度精確的DC-DC輸出。為了保持穩定的輸出特性，運算放大器的COMP輸出經(jīng)脈沖編碼，可越過(guò)隔離柵發(fā)送數字脈沖，然后由數字隔離變壓器模塊解碼回模擬信號，完全解決了使用