隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的三類電壓調(diào)節(jié)方案

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器是眾多應(yīng)用所必需的組件，這些應(yīng)用包括了電能計(jì)量、PLC、IGBT驅(qū)動(dòng)器電源、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)自動(dòng)化等。此類轉(zhuǎn)換器常用于提供電流隔離、改善安全性及提高抗噪聲能力。而且，它們還可用來(lái)生成包括雙極性電源軌在內(nèi)的多個(gè)輸出電壓軌。

按照輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度，隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器常常分為三類，即：已調(diào)節(jié)型、未調(diào)節(jié)型和半調(diào)節(jié)型。本文將討論各種不同的調(diào)節(jié)方案和對(duì)應(yīng)的拓?fù)?。?duì)影響調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行了詳細(xì)地檢查。這將形成一些可在實(shí)際設(shè)計(jì)中改善調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度的設(shè)計(jì)小貼士。此外，還闡述了每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為選擇針對(duì)某種特定應(yīng)用需求的合適解決方案提供指導(dǎo)。

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋與控制

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器通常采用一個(gè)變壓器，以實(shí)現(xiàn)輸出和功率級(jí)輸入的電隔離(圖1)。

在閉環(huán)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中(圖2)，反饋電路負(fù)責(zé)檢測(cè)輸出電壓，并通過(guò)把檢測(cè)電壓與其目標(biāo)值(反饋電壓基準(zhǔn))進(jìn)行比較，以生成一個(gè)誤差。該誤差隨后被用于調(diào)整控制變量(在本例中為占空比)以補(bǔ)償輸出偏差。另外，初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)上的控制電路之間的電流隔離也是必不可少的。此類隔離可通過(guò)采用一個(gè)變壓器或光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)基準(zhǔn)電壓VREF在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持精準(zhǔn)和穩(wěn)定，那么調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度將主要取決于輸出電壓檢測(cè)準(zhǔn)確度(換句話說(shuō)就是，VSENSE與VOUT相似度的高低)。

未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器(也被稱為開(kāi)環(huán)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器)在那些不需要精準(zhǔn)輸出電壓的應(yīng)用中得到了廣泛的使用。一種典型的應(yīng)用是具有 50% 固定占空比的推挽式轉(zhuǎn)換器(圖3)?？刂齐娐穬H包括一個(gè)振蕩器和兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，其可產(chǎn)生兩個(gè)具有50%固定占空比的互補(bǔ)柵極信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)Q1和Q2。選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩髟褦?shù)比以提供所需的輸出電壓。既不需要反饋電路也不需要信號(hào)隔離器，從而縮減了成本和解決方案尺寸。

推挽式轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一種正向?qū)С鍪酵負(fù)?forward-derived topology)。當(dāng)其以50%的固定占空比運(yùn)作時(shí)，輸出電壓調(diào)節(jié)可以使用圖4中的等效電路來(lái)詳細(xì)闡述。R是次級(jí)變壓器繞組和走線的等效電阻。輸出電壓可由式(1)來(lái)表達(dá)：

式中的VR是電阻器R兩端的電壓降，VF是二極管正向電壓降，這兩者均與負(fù)載電流有關(guān)。而且，VR和VF還會(huì)隨著環(huán)境溫度而變化，VOUT亦然。如式(1)所示，除了負(fù)載電流和環(huán)境溫度之外，VIN也是影響VOUT的一個(gè)因素。這些因素根本沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)償，因而有可能導(dǎo)致顯著的輸出電壓變化。這類轉(zhuǎn)換器之所以被為未調(diào)節(jié)型，原因即在于此。

與推挽式轉(zhuǎn)換器相似，未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的其他常用拓?fù)涫前霕蚝腿珮?H橋)式轉(zhuǎn)換器。由于成本低且電路十分簡(jiǎn)單，因此這些未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器常被用作DC變壓器，以提供電流隔離。低壓降(LDO)穩(wěn)壓器通常用作后置穩(wěn)壓器，以提供低噪聲和低紋波電源。

已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

在未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度均會(huì)影響輸出電壓準(zhǔn)確度。在那些精準(zhǔn)輸出電壓和嚴(yán)格調(diào)節(jié)至關(guān)緊要的應(yīng)用中，這是無(wú)法接受的，因而應(yīng)采用已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。我們以圖5所示的反激式轉(zhuǎn)換器為例來(lái)詳細(xì)闡述如何實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的調(diào)節(jié)。與未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器(圖3)相比，已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)額外的反饋電路。另外，還采用了一個(gè)光耦合器以把控制信號(hào)從次級(jí)側(cè)傳輸至初級(jí)側(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流隔離。

采用光耦合器的優(yōu)勢(shì)在于可以把反饋電路布設(shè)在次級(jí)側(cè)。這樣，就能夠直接感測(cè)和調(diào)節(jié)輸出電壓(即 VSENSE=VOUT)，這反過(guò)來(lái)又補(bǔ)償了輸入電壓、負(fù)載電流和溫度對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的所有影響。因此，通?？梢灶A(yù)期在整個(gè)工作輸入電壓、負(fù)載電流和溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1%至3%的嚴(yán)格調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。

使用光耦合器也有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，光耦合器在控制環(huán)路中引入了一個(gè)額外的極點(diǎn)，這將降低轉(zhuǎn)換器帶寬。其次，光耦合器具有很大的逐件變異(unit-to-unit variation)以及電流傳輸比(CTR)中的溫度和壽命劣化，因而使得控制環(huán)路設(shè)計(jì)受到約束。

半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器雖然不需要任何光耦合器，但其無(wú)法提供任何的調(diào)節(jié)。與之相反，已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)，然而卻需要使用一個(gè)光耦合器。在許多應(yīng)用中，客戶可能不希望采用光耦合器，但要求對(duì)輸出電壓實(shí)施一定程度的調(diào)節(jié)。所謂半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器將是合適的解決方案。

從輸出電壓調(diào)節(jié)的角度來(lái)看，半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器介乎于未調(diào)節(jié)型和已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器之間。與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器相似，半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也具有一個(gè)反饋電路。然而，它并不直接感測(cè)和調(diào)節(jié)輸出。取而代之的是，它只檢測(cè)一個(gè)與次級(jí)側(cè)上的輸出電壓相似、但通常參考于初級(jí)輸入電壓的電壓。這些方法也許不能實(shí)現(xiàn)與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確度相同的輸出電壓，但其免除了光耦合器，同時(shí)獲得了相當(dāng)好的輸出電壓調(diào)節(jié)性能。在本文中討論的三個(gè)例子是Fly-Buck轉(zhuǎn)換器、具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器和初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)反激式轉(zhuǎn)換器。