兩個可實現(xiàn) 8W 或更低功率的簡單隔離式電源選項

本期，我們將聚焦于隔離式輔助電源介紹兩種方法，可以用于降低隔離式輔助電源中的設計復雜性和噪聲耦合。

各種各樣的工業(yè)和汽車系統(tǒng)都會使用隔離式輔助電源。在大多數(shù)使用反激式或推挽式轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)隔離式輔助電源的現(xiàn)有方法中（請參閱德州儀器 (TI) “混合動力汽車/電動汽車的隔離式輔助電源架構(gòu)和拓撲權(quán)衡”和“具有 3 種 IGBT/SiC 輔助電源解決方案的混合動力汽車/電動汽車牽引逆變器功率級參考設計”），都需要進行大量的設計工作，并且依賴于低漏電感隔離變壓器。

在本期電源設計小貼士中，我將介紹兩種方法，它們都可以降低隔離式輔助電源中的設計復雜性和噪聲耦合。一種方法適用于多個隔離式輸出和高達 8W 總輸出功率，它使用電感器-電感器-電容器 (LLC) 拓撲，以及半橋驅(qū)動器，如 TI 的 UCC25800-Q1。第二種方法集成有隔離變壓器，適用于高達 1.5W 的功率和一個隔離式輸出，它采用單一集成電路 (IC)，如 TI 的 UCC14240-Q1。該器件同時包含電源和反饋隔離，僅需濾波電容器和電阻分壓器即可完成設計。

由于隔離式電源的復雜性，尤其是在低功率水平下，將會造成巨大的成本、尺寸和設計資源負擔。最常見的低功耗拓撲是反激式轉(zhuǎn)換器。常規(guī)反激式轉(zhuǎn)換器使用光耦合器，將輸出電壓從次級側(cè)反饋回初級側(cè)上的控制器 IC。由于長期可靠性問題，低成本光耦合器不適合在要求苛刻的汽車和工業(yè)環(huán)境中選用。即使采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，也只會真正完全調(diào)節(jié)其中一個反激式輸出?？梢圆捎镁邆涑跫墏?cè)調(diào)節(jié)的反激式轉(zhuǎn)換器，消除任何光耦合器要求，如 TI 的 LM5180-Q1。然而，對低漏電變壓器的需求及其在噪聲和隔離方面的挑戰(zhàn)仍然存在。

在大多數(shù)轉(zhuǎn)換器拓撲中，低漏電變壓器是穿過隔離柵高效輸電的關鍵。一些方法可以減少變壓器漏電感，如緊密耦合的繞組和交錯，它們通常會增加初級到次級電容。該電容會傳播來自隔離式轉(zhuǎn)換器開關本身以及隔離式輸出所連接電路（如牽引逆變器或車載充電器中的高側(cè)開關）的噪聲。這些開關可能以超過每納秒 100V 的幅度上下擺動。此外，在需要高壓（數(shù)千伏）增強隔離和低漏電感的變壓器中，會造成顯著的成本和尺寸負擔。

我這里將重點關注大約為 8W 或更低的高度隔離電源需求，此時可用的初級側(cè)電源范圍為 12VDC 至 24VDC。當連接到交流電源或 400V 和 800V 電池的電路中需要電源時，高隔離額定值（3kV 均方根 [RMS] 或更高）是滿足安全隔離要求所必需的。應用示例包括，電動汽車車載充電器和牽引逆變器中的隔離式輔助電源，它們通常需要大約 +15V 的電壓來實現(xiàn)快速開關導通，需要大約 –5V 的電壓來實現(xiàn)快速開關關斷，并且回路連接到大功率開關的發(fā)射極或源極。

一個 IC 實現(xiàn)多個輸出和高達 8W 的功率：UCC25800-Q1

利用 LLC 拓撲（請參閱應用手冊“采用 UCC25800-Q1 開環(huán) LLC 變壓器驅(qū)動器的隔離式柵極驅(qū)動器輔助電源設計”），可在沒有反饋的情況下實現(xiàn)隔離式輸出電壓的良好負載調(diào)節(jié)。此拓撲實際上使用變壓器的漏電感來提供軟開關，可以大幅降低主開關中的開關損耗。通過耦合電容，實際上可以消除漏電感對輸出調(diào)節(jié)的影響，因此可以使用高壓隔離變壓器，使初級側(cè)和次級側(cè)分別位于單獨的線軸上。這使得耦合電容非常低，從而實現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲和高壓（數(shù)千伏）增強隔離，滿足安全需求。軟開關與通過耦合電容器消除漏電感相結(jié)合，可以將漏電感化敵為友。

這種方法確實需要穩(wěn)定的輸入直流電源來供電，從而避免對次級側(cè)調(diào)節(jié)的需求。在使用雙開關半橋（用于此處所需的低功率水平）的情況下，會將一半輸入電壓的方波施加到變壓器初級側(cè)。在汽車應用中，通常會有 12V 或 24V 穩(wěn)壓直流電壓以用于其他用途。如果前置穩(wěn)壓器必不可少，則簡單的單端初級電感轉(zhuǎn)換器將會提供穩(wěn)定的 15V 或 24V 輸入電源。相比控制低漏電反激式變壓器引起的控制系統(tǒng)噪聲這一挑戰(zhàn)，此前置穩(wěn)壓器的設計負擔通常要小得多。

已發(fā)布的 UCC25800-Q1 設計示例包括，“適用于牽引逆變器應用的預調(diào)節(jié)隔離式驅(qū)動器輔助電源參考設計”：四個輸出，30V 下總共 6W（如圖 1 和圖 2 所示）；以及“適用于牽引逆變器應用的隔離式 IGBT 和 SiC 驅(qū)動器輔助電源參考設計”，采用 +16V/–5V，實現(xiàn) 24V 下最大 6.6W。絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 驅(qū)動器參考設計中使用的變壓器僅具有 1.3pF 典型值的初級到次級電容，而類似功率的反激式變壓器的典型值為 20pF。這一超過 10 倍的電容減小幅度，表示系統(tǒng)中的噪聲擴散至少會降低 20dB。僅有的初級和次級接口是變壓器。

圖 1. 來自預調(diào)節(jié)參考設計原理圖隔離式四輸出轉(zhuǎn)換器

圖 2. 預調(diào)節(jié)參考設計裝配板，包含輸入電壓為 6VIN 的升壓電路

在負載為 10% 最大負載至 100% 最大負載的范圍內(nèi)，四個輸出的輸出調(diào)節(jié)從 16.25V 到 17.27V 不等。

需要低于 2W 隔離式電源時的一種更簡單的方法：UCC14240-Q1

更為簡單的方法是使用自包含隔離式轉(zhuǎn)換器 IC，其中集成有變壓器和次級到初級反饋，只具有設置正負輸出所需的輸入/輸出電容器和分壓器。功率級包括一個初級側(cè)全橋、一個具有極低初級到次級電容（約為 3.5pF）以盡可能降低系統(tǒng)噪聲耦合的隔離變壓器，以及一個全橋輸出整流器。通過選擇 13MHz 開關頻率，可實現(xiàn)這種低初級到次級電容，并使其自身的開關噪聲遠離汽車應用中任何需要關注的頻帶。IC 的內(nèi)部反饋使輸入電壓能夠與標稱電壓相差 ±10% 以上，并且仍然提供良好調(diào)節(jié)的正負電壓，達到標稱輸出的 1.3% 以內(nèi)。此 IC 表明拓撲復雜性（完全包含在 IC 中）不會造成設計負擔。

UCC14240-Q1 在 21VIN 至 27VIN 下工作，適用于牽引逆變器、車載充電器和電機控制中 IGBT 和 SiC 金屬氧化物半導體場效應晶體管的柵極驅(qū)動應用，它使用 +15V 典型正電壓來導通器件和 –5V 典型負電壓來關斷器件。不過，也允許 18V 至 25V 總電壓范圍內(nèi)的其他正負電壓組合。

圖 3、圖 4 和圖 5 展示了一個自包含高隔離示例，該示例具有 3000VRMS 計劃隔離，是“SPI 可編程柵極驅(qū)動器和輔助電源參考設計”的一部分。U1 是實際的直流/直流隔離式電源，U3 是智能隔離式柵極驅(qū)動器，而具有 Q1 和 L1 的 U2 是汽車電池到直流轉(zhuǎn)換器。請注意 8mm 初級到次級隔離谷。

圖 3. 來自汽車類“帶集成變壓器的SPI 可編程柵極驅(qū)動器和輔助電源參考設計”原理圖隔離式 +15V/–5V 轉(zhuǎn)換器

圖 4. 汽車類 SPI 可編程參考設計裝配板

圖 5. 1.6W 負載汽車類 SPI 可編程參考設計熱圖像

憑借這兩種方法，為大功率逆變器和電池充電器中的柵極驅(qū)動器提供隔離式電源遠構(gòu)不成一種設計挑戰(zhàn)，而額外的好處是還可以減少系統(tǒng)級射頻噪聲。第一種方法可實現(xiàn)通過單個 IC 來控制多個隔離式輸出。在第二種方法中，僅具有濾波電容器和分壓電阻器的單一 IC 便可以提供完整的隔離式電源解決方案。