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)用包括了電能計量、PLC、IGBT驅(qū)動器電源、工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化等。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，它們還可用來生成包括雙極性電源軌在內(nèi)的多個輸出電壓軌。

按照輸出電壓調(diào)節(jié)準確度，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)方案和對應(yīng)的拓撲。對影響調(diào)節(jié)準確度的因素進行了詳細地檢查。這將形成一些可在實際設(shè)計中改善調(diào)節(jié)準確度的設(shè)計小貼士。此外，還闡述了每種方案的優(yōu)缺點，旨在為選擇針對某種特定應(yīng)用需求的合適解決方案提供指導。

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋與控制

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

在閉環(huán)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中(圖2)，反饋電路負責檢測輸出電壓，并通過把檢測電壓與其目標值(反饋電壓基準)進行比較，以生成一個誤差。該誤差隨后被用于調(diào)整控制變量(在本例中為占空比)以補償輸出偏差。另外，初級側(cè)與次級側(cè)上的控制電路之間的電流隔離也是必不可少的。此類隔離可通過采用一個變壓器或光耦合器來實現(xiàn)。假設(shè)基準電壓VREF在整個溫度范圍內(nèi)保持精準和穩(wěn)定，那么調(diào)節(jié)準確度將主要取決于輸出電壓檢測準確度(換句話說就是，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(也被稱為開環(huán)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器)在那些不需要精準輸出電壓的應(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包括一個振蕩器和兩個柵極驅(qū)動器，其可產(chǎn)生兩個具有50%固定占空比的互補柵極信號，用以驅(qū)動Q1和Q2。選擇適當?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)換器實質(zhì)上是一種正向?qū)С鍪酵負?forward-derived topology)。當其以50%的固定占空比運作時，輸出電壓調(diào)節(jié)可以使用圖4中的等效電路來詳細闡述。R是次級變壓器繞組和走線的等效電阻。輸出電壓可由式(1)來表達：

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，這兩者均與負載電流有關(guān)。而且，VR和VF還會隨著環(huán)境溫度而變化，VOUT亦然。如式(1)所示，除了負載電流和環(huán)境溫度之外，VIN也是影響VOUT的一個因素。這些因素根本沒有進行補償，因而有可能導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)換器的其他常用拓撲是半橋和全橋(H橋)式轉(zhuǎn)換器。由于成本低且電路十分簡單，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、負載電流和環(huán)境溫度均會影響輸出電壓準確度。在那些精準輸出電壓和嚴格調(diào)節(jié)至關(guān)緊要的應(yīng)用中，這是無法接受的，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)換器為例來詳細闡述如何實現(xiàn)嚴格的調(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)換器具有一個額外的反饋電路。另外，還采用了一個光耦合器以把控制信號從次級側(cè)傳輸至初級側(cè)，同時實現(xiàn)電流隔離。

采用光耦合器的優(yōu)勢在于可以把反饋電路布設(shè)在次級側(cè)。這樣，就能夠直接感測和調(diào)節(jié)輸出電壓(即 VSENSE=VOUT)，這反過來又補償了輸入電壓、負載電流和溫度對輸出電壓調(diào)節(jié)的所有影響。因此，通?？梢灶A(yù)期在整個工作輸入電壓、負載電流和溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)1%至3%的嚴格調(diào)節(jié)準確度。

使用光耦合器也有幾個缺點。首先，光耦合器在控制環(huán)路中引入了一個額外的極點，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)換器可提供嚴格的輸出電壓調(diào)節(jié)，然而卻需要使用一個光耦合器。在許多應(yīng)用中，客戶可能不希望采用光耦合器，但要求對輸出電壓實施一定程度的調(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)換器也具有一個反饋電路。然而，它并不直接感測和調(diào)節(jié)輸出。取而代之的是，它只檢測一個與次級側(cè)上的輸出電壓相似、但通常參考于初級輸入電壓的電壓。這些方法也許不能實現(xiàn)與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器準確度相同的輸出電壓，但其免除了光耦合器，同時獲得了相當好的輸出電壓調(diào)節(jié)性能。在本文中討論的三個例子是Fly-Buck轉(zhuǎn)換器、具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器和初級側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)反激式轉(zhuǎn)換器。