無需光耦合器的反激式DC/DC控制器可惠及視頻安保

　　背景

　　即使在恐怖主義威脅引起世人高度關(guān)注之前，許多公共和私有機(jī)構(gòu)也已開始在重要的基礎(chǔ)設(shè)施中安裝視頻安保系統(tǒng)了。視頻安保提供了改善態(tài)勢感知、防止惡意破壞、偷盜或其他犯罪、加快反應(yīng)和管理決策速度以及提高全體人員和公共安全所必需的視覺圖像。從機(jī)場到橋梁、從煉油廠到輸油/輸氣管道、從港口到高速公路等等，將視頻安保設(shè)備納入其準(zhǔn)備計(jì)劃之中無不使它們獲益良多。

　　機(jī)場安保的第一道防線是柵欄、關(guān)卡和圍墻。特別是諸如油庫、候機(jī)樓、甚至行李搬運(yùn)場地等敏感區(qū)域其安全級別更高，設(shè)置有安保檢查點(diǎn)。所有這些區(qū)域以及機(jī)場內(nèi)部的大多數(shù)位置通常都是采用監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行監(jiān)視的。

　　對視頻安保系統(tǒng)安裝要求最為嚴(yán)苛的是賭場，在這里，必須對各種戲法花招和快捷無比的動(dòng)作進(jìn)行捕捉、檢查和歸檔，以滿足嚴(yán)格的管理?xiàng)l例。有策略性地安放“天眼”攝像機(jī)可為安保人員的實(shí)體設(shè)備資源提供某種補(bǔ)充,從而幫助他們以一種及時(shí)和有效的方式來更好地疏導(dǎo)管理擁擠的人群和合理地部署人員。賭博區(qū)域的高質(zhì)量視頻影像為安保專業(yè)人員提供了用于防止作弊和捉獲“出千者”所需的詳細(xì)信息。

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)在零售商店中發(fā)揮著重要的作用，它可作為一種針對潛在犯罪行為的可視化防范措施，并為經(jīng)營者和安保專業(yè)人員提供了用于處理責(zé)任索賠、員工偷盜或其他管理問題的工具。因此，當(dāng)犯罪者在視頻上被抓現(xiàn)行時(shí)，商店行竊和員工偷盜的處理就可以更加容易。此外，借助視頻錄像，諸如顧客滑倒、跌倒和責(zé)任索賠等事件的了解和處置也會更加準(zhǔn)確。

　　在現(xiàn)今矯正機(jī)構(gòu) (如監(jiān)獄、管教所等) 的管理當(dāng)中，必須例行處置的問題非常之多，走私、暴力、囚犯和警員安全等只是其中的一小部分。因此，在維持秩序和確保安全的工作環(huán)境方面，視頻安保系統(tǒng)起到了前所未有的重要作用。

　　隨著醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)規(guī)模的日益擴(kuò)大并開始提供晝夜不停的護(hù)理服務(wù)，面對各種各樣的安全風(fēng)險(xiǎn)，它們變得更加容易遭受攻擊。雖然行業(yè)指導(dǎo)準(zhǔn)則在其“護(hù)理環(huán)境”標(biāo)準(zhǔn)中對不斷提高安全防范水平提出了強(qiáng)制性的要求，但是，在選擇合適的工具以滿足其保護(hù)患者、訪客、員工和知識產(chǎn)權(quán) (IP) 的需要方面，擁有決策權(quán)的責(zé)任者卻是各家醫(yī)院和醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)。

　　監(jiān)控?cái)z像機(jī)的部署

　　在大多數(shù)場所中，為了獲得完整的監(jiān)控覆蓋范圍也許需要好幾百部攝像機(jī)。監(jiān)視和管理多個(gè)位置設(shè)施最常用的方法之一是采用具以太網(wǎng)供電 (PoE) 能力的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 攝像機(jī)。此類實(shí)現(xiàn)方案能夠顯著地簡化攝像機(jī)的安裝并降低相關(guān)的成本，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)和功率利用同一根電纜進(jìn)行傳輸， 而且攝像機(jī)不必安裝在電源的附近。然而，對于可從一根以太網(wǎng)電纜吸取的最大功率量，則需要謹(jǐn)慎地加以對待。如欲了解可從一個(gè) PoE 接口吸取的最大容許功率的更多信息，請查閱IEEE 802.3af (PoE) 或 IEEE 802.3at (PoE+) 規(guī)范。

　　監(jiān)控?cái)z像機(jī)通常采用 24V DC 或 12V DC 的工作電源電壓，功率級高達(dá) 25W。PoE 線路將提供 48V 電壓，該電壓需要進(jìn)行降壓并由于安全性及故障的原因而與其輸入至輸出隔離開來，從而導(dǎo)致電源變得更加復(fù)雜。不過，功率轉(zhuǎn)換技術(shù)近期所取得的發(fā)展已使低至中等功率隔離式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)變得簡單和容易得多。

　　在隔離型 DC/DC 應(yīng)用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年，然而，它們卻未必是設(shè)計(jì)人員的首選。電源設(shè)計(jì)師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因?yàn)樗鼈兛山档驮O(shè)計(jì)難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實(shí)乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)的原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)，而由于可供選擇的市售變壓器品種有限且有可能需要定制變壓器，所以導(dǎo)致此項(xiàng)設(shè)計(jì)工作變得愈發(fā)復(fù)雜。不過，凌力爾特公司近期發(fā)布的 LT3748 隔離型反激式控制器解決了此類反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的諸多難題。

　　新型反激式 IC 簡化了設(shè)計(jì)

　　首先，LT3748 免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時(shí)保持了主端與副端之間的隔離 (只有一部分必須橫跨隔離勢壘)。LT3748 運(yùn)用了一種主端檢測方案，該方案能通過反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來檢測輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管負(fù)責(zé)向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT3748 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個(gè)線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 ±5% 的總調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。

　　圖 1：采用主端輸出電壓檢測的 LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器

　　LT3748 可接受一個(gè) 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至 IC。由于具有高電壓板上 LDO 并采用 MSOP-16 封裝 (去掉了 4 個(gè)引腳以實(shí)現(xiàn)額外的高壓引腳間隔)，因此該器件能在高輸入電壓條件下可靠運(yùn)作。另外，這款器件的板上柵極驅(qū)動(dòng)器可為一個(gè)外部 N 溝道功率 MOSFET 供電，使得它能夠提供高達(dá) 50W 左右的功率 (其最大輸出功率取決于外部組件選擇、輸入電壓范圍和輸出電壓)。

　　此外，LT3748 所運(yùn)用的邊界模式操作進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開關(guān)，并在開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定電流限值時(shí)關(guān)斷。于是，它始終工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 的轉(zhuǎn)換之時(shí)，這通常被稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。

　　主端輸出電壓檢測

　　隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個(gè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和光學(xué)驅(qū)動(dòng)器。光耦合器用于通過光鏈路來傳送輸出電壓反饋信號，同時(shí)保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比會隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準(zhǔn)確度下降。

　　LT3748 通過檢測變壓器主端上的輸出電壓免除了增設(shè)一個(gè)光耦合器、基準(zhǔn)電壓和光學(xué)驅(qū)動(dòng)器的需要。如圖 2 所示，輸出電壓可在功率晶體管關(guān)斷期間的主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)確地測量，其中的 N 為變壓器的匝數(shù)比，VIN 為輸入電壓，而 VC 為最大箝位電壓。LT3748 通過選擇 RFB 和 RREF 以及變壓器的匝數(shù)比來設(shè)定輸出電壓。

　　圖 2：典型的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

　　由于始終在二極管電流零交叉點(diǎn)上進(jìn)行反射輸出電壓的采樣，因此負(fù)載調(diào)節(jié)性能在邊界模式操作中得到了大幅度的改善。LT3748 通?？商峁?±3% 的負(fù)載調(diào)節(jié)。

　　變壓器的選擇和設(shè)計(jì)考慮因素

　　就 LT3748 的成功應(yīng)用而言，變壓器的規(guī)格和設(shè)計(jì)可能是最為關(guān)鍵的部分了。除了處理高頻隔離型電源變壓器設(shè)計(jì)的常見注意事項(xiàng) (實(shí)現(xiàn)低漏電感和緊密耦合) 之外，還必須嚴(yán)格控制變壓器的匝數(shù)比。由于變壓器副端上的電壓是由主端上的采樣電壓推知的，因此必須嚴(yán)格控制匝數(shù)比以確保獲得一致的輸出電壓。各變壓器之間 ±5% 的匝數(shù)比容差有可能在輸出電壓中產(chǎn)生超過 ±5% 的變化。幸運(yùn)的是，大多數(shù)磁性元件制造商都能夠保證 ±1% 或更好的匝數(shù)比容差指標(biāo)。

　　凌力爾特公司與主要的磁性元件制造商進(jìn)行了合作，以生產(chǎn)供 LT3748 使用的預(yù)設(shè)計(jì)型反激式變壓器。表 1 是一張縮略表，羅列了一些推薦使用的市售變壓器，制造商為 Wurth Electronics 和 Pulse Engineering 公司。完整列表請見 LT3748 的產(chǎn)品手冊。這些變壓器一般能夠承受 1,500V AC 的主端至副端擊穿電壓 (持續(xù)時(shí)間為一分鐘)。也可以使用擊穿電壓更高的變壓器和定制變壓器。

　　表 1：可供 LT3748 使用的市售變壓器

　　LT3748 可以采用 LTspice 軟件 (免費(fèi)下載) 與表 1 中所列的任意變壓器來建模。仿真電路包含的信息有：電路啟動(dòng)的方式、其對于負(fù)載階躍的反應(yīng)、以及電路內(nèi)部不同點(diǎn)上的電壓波形。借助該軟件，可以很容易地完成設(shè)計(jì)變更并了解相關(guān)的變更對其電路性能的影響。

　　圖 3 示出了一款采用 LT3748 的演示電路板。該電路可接受一個(gè)范圍從 22V 至 75V 的輸入電壓，并在高達(dá) 2.5A 的電流條件下產(chǎn)生一個(gè)隔離型 12V 輸出。

　　圖 3：LT3748 30W 應(yīng)用電路 (尺寸：38mm x 19mm x 9.5mm)

　　結(jié)論

　　盡管隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)并不簡單;但是除了采用模塊或復(fù)雜的分立式實(shí)現(xiàn)方案之外，如今我們有了一種替代方案。基于 LT3748 的電路無需光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和光學(xué)驅(qū)動(dòng)器，因而簡化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。該器件保持了主端至副端隔離 (只有一部分橫跨隔離勢壘)。容易購置的市售變壓器避免了采用定制變壓器的需要。LT3748 具有一個(gè) 5V 至 100V 的工作輸入電壓范圍，并能夠提供高達(dá) 50W 左右的連續(xù)輸出功率，從而使其成為眾多安保 IP 攝像機(jī)應(yīng)用的合適之選。