各種降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和工作原理

　　圖5表示在DT和(1-D)T的時(shí)間間隔期間使用降壓方法的雙極電源的等效電路。在DT期間，上管FET Q1開(kāi)啟，導(dǎo)致整流二極管D1反向電壓偏置，因此在次級(jí)繞組中沒(méi)有電流流動(dòng)。在(1-D)T期間，Q1斷開(kāi)，電流Ip通過(guò)下管FET Q2續(xù)流，次級(jí)繞組兩端的電壓(Vs)對(duì)應(yīng)VOUT+，因此D1導(dǎo)通，為輸出電容COUT2充電，并為負(fù)載供電。建議以強(qiáng)制CCM配置轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)輸出電壓(VOUT-)的良好電壓調(diào)節(jié)。

　　圖5. 使用降壓方法的雙極電源等效電路

　　下文詳細(xì)說(shuō)明使用ISL85410建立并模擬雙極性電源的SIMPLIS模型的工作原理，關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

　　表格1. 雙極性電源關(guān)鍵參數(shù)

　　仿真波形如圖6所示。在Q2開(kāi)啟的(1-D)T期間，次級(jí)繞組電流(Is)的耦合電流使總的原邊電流(Ip)變?yōu)樨?fù)值。通過(guò)合適的設(shè)計(jì)，確保該負(fù)電流足夠低，避免在正常工作條件下觸發(fā)降壓穩(wěn)壓器的負(fù)電流限制。

　　圖6. 采用降壓法的雙極性電源仿真波形

　　圖4(b)展示另一種方法，使用反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換生成雙極性電源。與使用降壓轉(zhuǎn)換相比，反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換是將降壓調(diào)節(jié)器IC配置為反相降壓-升壓來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓輸出，使用耦合繞組來(lái)產(chǎn)生正電壓輸出。與使用降壓轉(zhuǎn)換的雙極性電源不同，當(dāng)輸入電壓低于輸出時(shí)，反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換可以調(diào)節(jié)輸出(升壓轉(zhuǎn)換)。然而，在反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換中FET電壓應(yīng)力要高于降壓轉(zhuǎn)換。表2對(duì)比了這兩種轉(zhuǎn)換，并為特定應(yīng)用選擇最佳解決方案提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)。

　　表格2. 對(duì)比降壓轉(zhuǎn)換與反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換的雙極性電源

　采用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源

　　通常需要隔離型電壓輸出來(lái)提供電流隔離，并增強(qiáng)安全性和抗噪性。常見(jiàn)應(yīng)用包括可編程邏輯控制器(PLC)、智能功率計(jì)量和IGBT驅(qū)動(dòng)電源。反激和推挽轉(zhuǎn)換器是兩種常見(jiàn)而經(jīng)濟(jì)的解決方案。然而，反激式轉(zhuǎn)換器通常需要光耦合器或輔助繞組來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。此外，反激式開(kāi)關(guān)會(huì)受到高電壓尖峰的影響，因此通常需要RCD緩沖器。推挽式直流變壓器以固定50%占空比運(yùn)行，可能會(huì)影響到輸出電壓調(diào)節(jié)，有時(shí)需要額外的LDO才能實(shí)現(xiàn)精確的輸出調(diào)節(jié)。

　　在上述雙極性電源(圖4)中，通過(guò)在降壓或反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中使用電感器添加磁耦合繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)額外的輸出電壓輸出。通過(guò)簡(jiǎn)單地隔離這兩個(gè)輸出回路，可以實(shí)現(xiàn)隔離型電壓輸出(參見(jiàn)圖7)，這種方法正變得越來(lái)越常用。

　　單個(gè)隔離電壓軌的隔離電源

　　圖7. 使用降壓法(a)或反相降壓-升壓方法(b)的簡(jiǎn)化單隔離電壓軌

　　使用降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生隔離電壓輸出的兩種方法如圖7所示。這些配置類(lèi)似于圖4所示的雙極性電源，只不過(guò)兩個(gè)輸出回路(參考)是分開(kāi)的。與變壓器匝數(shù)比為1:1的雙極性電源不同，這種方法通過(guò)優(yōu)化隔離電源的匝數(shù)比，能夠在次級(jí)側(cè)設(shè)置其所需的輸出電壓。此外，還可以通過(guò)調(diào)整使控制器以最佳占空比運(yùn)行。

　　帶降壓穩(wěn)壓器的隔離電源具有多種優(yōu)勢(shì)。如圖7(a)所示，以此降壓方法為例說(shuō)明它的優(yōu)勢(shì)。首先，它去掉了反激式轉(zhuǎn)換器中所需的光耦合器和輔助續(xù)流電路。其次，相對(duì)于反激式轉(zhuǎn)換器，降壓配置在初級(jí)側(cè)FET提供低電壓應(yīng)力，低壓FET意味著更低的導(dǎo)通電阻和更高的效率。第三，初級(jí)側(cè)輸出(VOUT1)調(diào)節(jié)良好，隔離輸出(VOUT2)對(duì)應(yīng)VOUT1，在寬輸入電壓范圍內(nèi)可在次級(jí)側(cè)提供良好的輸出電壓調(diào)節(jié)。與沒(méi)有額外LDO的推挽式直流變壓器相比，可以實(shí)現(xiàn)更好的電壓調(diào)節(jié)。高度集成的降壓穩(wěn)壓器IC，例如帶內(nèi)部補(bǔ)償?shù)腎SL85410，可以輕松實(shí)現(xiàn)上述方法在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

　　表2中，降壓轉(zhuǎn)換和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)雙極性電源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)同樣適用于使用降壓穩(wěn)壓器IC的隔離電源，電源設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)其特定應(yīng)用選擇最合適的方法。

　　多個(gè)隔離電壓輸出的隔離電源

　　如圖2兩個(gè)案例所示，通過(guò)添加更多耦合繞組可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)隔離電壓輸出，其工作原理類(lèi)似于單個(gè)隔離電壓輸出。

　　圖8. 使用降壓方法(a)或反相降壓-升壓方法(b)的多個(gè)隔離電壓輸出

　　結(jié)論

　　高集成的降壓穩(wěn)壓器IC可以更容易地實(shí)現(xiàn)不同功率轉(zhuǎn)換并滿足不同的應(yīng)用要求。本文闡述了這些降壓穩(wěn)壓器IC如何用于生成反相電源、雙極性電源和單個(gè)或多個(gè)隔離電源。高度集成的ISL8541x系列降壓穩(wěn)壓器IC具有寬泛的輸入電壓范圍、集成啟動(dòng)二極管和內(nèi)部補(bǔ)償。采用這些降壓穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)的反相、雙極性和隔離電源解決方案具有外部元件數(shù)量少、總體解決方案尺寸小及易于使用等多種重要優(yōu)勢(shì)。