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

1. Fly-Buck轉(zhuǎn)換器

Fly-Buck 轉(zhuǎn)換器基本上就是一個同步降壓型轉(zhuǎn)換器，它具有一個耦合至其電感器的額外繞組，用以生成一個隔離式輸出(VOUT)。除了次級側(cè)上的隔離式輸出之外，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器還在初級側(cè)上提供了一個已調(diào)節(jié)輸出(VP)。初級側(cè)輸出的調(diào)節(jié)方式與獨立型同步降壓轉(zhuǎn)換器相同，如式(2)：

式中的D為圖6中的降壓開關(guān)Q1的占空比。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)同步開關(guān)Q2導(dǎo)通時VP反射至次級側(cè)并被整流為VOUT。等效電路示于圖7。VOUT可利用式(3)來計算：

與式(1)和圖4所說明的未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器相似，F(xiàn)ly-Buck的隔離式輸出是VR和VF(它們均取決于負載電流和溫度)的一個函數(shù)。然而，VP是一個由反饋電路調(diào)節(jié)的恒定電壓，這就使得VP(因而也包括VOUT)與VIN無關(guān)。對于Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的隔離式輸出，VIN的影響得到了補償，但是負載電流和溫度的影響則并未予以補償。于是，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器歸類于半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)Q1導(dǎo)通時，輸出電容器COUT放電，提供負載電流。當(dāng)Q2導(dǎo)通時，輸出電容器電荷得到補充以保持調(diào)節(jié)作用。實際上，變壓器或多或少會有一些漏電感，其決定了次級繞組中用于對輸出電容器進行充電的電流的斜坡上升速率。漏電感和占空比會影響輸出電壓調(diào)節(jié)。應(yīng)盡可能地減小漏電感并謹慎地選擇最大的工作占空比，以減輕它們對于調(diào)節(jié)的影響。憑借正確的設(shè)計，大概可以實現(xiàn)5%至10%(具體數(shù)值取決于負載電流范圍)的輸出電壓調(diào)節(jié)。

2. 具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器能夠很容易地生成多個輸出，而不必像其他DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲那樣常常需要增設(shè)額外的輸出濾波電感器。在多輸出配置中(圖8)，只有一個輸出Vaux是直接調(diào)節(jié)的，而其他的VOUT則依靠交叉調(diào)節(jié)。一般地，通過使已調(diào)節(jié)輸出Vaux參考于初級側(cè)上的輸入VIN，就能免除圖5所示的已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器的光耦合器。次級側(cè)上的隔離式輸出VOUT可由式(4)給出：

式中的VRs和VRa分別是次級繞組和輔助繞組的等效電阻電壓降。VRs、VRa、VFD1和VFD2均為其自身電流的函數(shù)。在次級繞組和輔助繞組中流動的電流是不均勻的，因而在VOUT和Vaux之間的負載調(diào)節(jié)中導(dǎo)致失配。結(jié)果，VOUT的負載調(diào)節(jié)就沒有Vaux那么好。隔離式輸出與VIN無關(guān)，這表明可獲得優(yōu)良的線路輸入電壓調(diào)節(jié)性能。由于交叉調(diào)節(jié)輸出取決于負載電流范圍，故而通?？梢詫崿F(xiàn)5%至10%的輸出電壓調(diào)節(jié)。

3. PSR反激式轉(zhuǎn)換器

雖然線路輸入電壓調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，但是Fly-Buck和依賴于交叉調(diào)節(jié)的反激式轉(zhuǎn)換器均無法補償負載電流對輸出電壓調(diào)節(jié)的影響。因此，輸出電壓準確度取決于負載電流。PSR反激式轉(zhuǎn)換器(圖9)旨在通過更加準確地檢測輸出電壓來最大限度地抑制這種依存性。

通過運作于不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)或邊界導(dǎo)通模式(BCM)，次級電流在每個開關(guān)周期中恢復(fù)至零。圖10示出了DCM中的輔助繞組電壓分布。PSR反激式轉(zhuǎn)換器通過一個專用的鑒頻器和采樣器電路在拐點處(此時的次級電流近似為零)檢測輔助繞組電壓VSENSE。在采樣點上，由于次級電流為零，因此在繞組和走線兩端沒有電阻壓降。而且，采樣點處的二極管正向壓降變成一個常數(shù)VOFFSET，這與實際負載電流無關(guān)。于是，檢測電壓變?yōu)椋?/p>

正因為如此，無論負載電流怎樣，VSENSE都很好地代表了輸出電壓，僅具有一個可通過調(diào)整電壓反饋電阻分壓器予以抵消的固定電壓。這樣，負載電流對于輸出電壓調(diào)節(jié)的影響便得到了最大限度的減弱，并可預(yù)期實現(xiàn)上佳的負載調(diào)節(jié)。由于PSR反激式轉(zhuǎn)換器對線路輸入電壓和負載變動均實施了補償，所以能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于5%的總調(diào)節(jié)性能。

結(jié)論

為了實現(xiàn)電流隔離和安全性并改善抗噪聲能力，在隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中對次級側(cè)和初級側(cè)進行了電隔離。功率級和控制電路都運用了這種隔離。輸出電壓的檢測和調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定了輸出電壓調(diào)節(jié)準確度。未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器擁有最低的成本和最簡單的電路，但沒有調(diào)節(jié)功能。已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可在整個線路輸入電壓、負載和溫度范圍內(nèi)提供嚴格的調(diào)節(jié)，但需要使用一個光耦合器或數(shù)字隔離器IC。半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器則在輸出電壓調(diào)節(jié)和電路復(fù)雜性之間進行了折衷。最合適的解決方案應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求來選擇。