穿過隔離柵供電：認識隔離式直流/ 直流偏置電源

電子設計人員使用的工具箱日新月異。要找到適合工作的工具，不僅需要了解手頭上的任務和現(xiàn)有工具，還要知道如何充分利用這些工具。

對于設計人員來說，在隔離柵內(nèi)移動信號和電源是一項常見的挑戰(zhàn)。為了提高安全性和抗噪性能，或產(chǎn)生較大的電勢差， 可能需要在不同的系統(tǒng)域之間進行隔離。

例如，手機充電器通過內(nèi)部隔離，可在連接器短路時防止用戶觸電。

在工廠機器人等其他應用中，敏感控制電路單獨接地，并與產(chǎn)生較大直流電流、噪聲和接地反彈的電機隔離。

通常在整個隔離柵中進行通信和感應。具有控制器局域網(wǎng) (CAN) 或 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 (FD) 協(xié)議通信的汽車應用，通過集成了隔離組件和收發(fā)器組件的隔離式 CAN 收發(fā)器，可將這類信號與汽車的高壓側(cè)隔離。工業(yè)應用也可以使用 CAN 協(xié)議和 RS-485 協(xié)議實現(xiàn)長距離串行通信。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號類似，設計人員可使用專為 RS-485 協(xié)議設計的隔離式收發(fā)器。保護繼電器使用隔離式電流和電壓傳感器感應整個電網(wǎng)中的電力輸送。牽引逆變器和電機驅(qū)動器接收電機控制器發(fā)出的脈寬調(diào)制信號，然后信號經(jīng)過隔離器向柵極驅(qū)動器發(fā)出開啟或關閉絕緣柵雙極晶體管的指令。

通過提供從隔離柵一側(cè)到另一側(cè)的偏置電源，隔離式偏置轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)隔離通信和感應。電流和電壓傳感器、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動器通常需要 15W 以下甚至低至幾十毫瓦的電源。圖 1 所示為上述每種應用的示例。

隔離式直流/直流偏置電源要求

無論是具有外部電源開關的控制器、將一個控制器與多個電源開關集成的轉(zhuǎn)換器，還是將多個控制器、電源開關和變壓器集成為一體的電源模塊，都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。由于偏置電源解決方案種類廣泛，涉及的應用也是多種多樣，為了以超低成本符合各類規(guī)范，全面了解各種應用要求是非常重要的。

圖 1. 隔離式偏置應用。

設計人員至少應了解偏置電源輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出功率要求。一些應用將需要多個偏置電壓，因此確定每個輸出的可接受調(diào)節(jié)范圍至關重要。隔離等級、環(huán)境工作溫度范圍、電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 等系統(tǒng)要求會進一步驅(qū)動設計決策。表 1 從極為廣泛的角度展示了隔離式偏置轉(zhuǎn)換器的四種示例規(guī)范。

下面我們來看隔離式偏置電源拓撲的部分示例。

表 1. 隔離式偏置轉(zhuǎn)換器規(guī)范示例。

反激式

反激式轉(zhuǎn)換器是一種眾所周知的拓撲結構，數(shù)十年來應用廣泛。這種電源轉(zhuǎn)換器具有靈活性和低成本等特點，可用于多種 應用。憑借集成場效應晶體管 (FET) 和初級側(cè)控制等增強功能，這種拓撲結構更加備受矚目。

與正激、推挽和半橋等降壓拓撲相比，反激拓撲僅需要一個初級開關、一個整流器和一個類似變壓器的耦合電感器。 圖 2 所示為轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。初級開關打開時， 入電壓則施加在初級繞組上，在變壓器氣隙內(nèi)儲存能量。在這種情況下，僅輸出電容器給輸出負載供電。初級開關關閉時，儲存在變壓器中的能量則通過整流器輸送到次級側(cè)，為負載和輸出電容器供電。

圖 2.反激式轉(zhuǎn)換器。

反激式轉(zhuǎn)換器完全可用作偏置轉(zhuǎn)換器，原因如下：反激式轉(zhuǎn)換器能在一個轉(zhuǎn)換級內(nèi)實現(xiàn)調(diào)節(jié)和隔離，也可靈活用于多個輸出。您可選擇輸出繞組數(shù)量，然后在變壓器上纏繞線圈，來匹配您所選的配置。輸出繞組電壓是占空比與初級繞組和次級繞組匝數(shù)比的函數(shù)。也可以將每一輸出端作為不同的接地基準點，從而滿足系統(tǒng)隔離要求。反激式轉(zhuǎn)換器的其他優(yōu)勢包括成本相對較低、具有寬的輸入輸出工作電壓范圍。

為了實現(xiàn)最佳性能，應對反激式變壓器進行合理設計。變壓器應良好耦合且漏感低，從而提高效率、實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié)，尤其是在多輸出的情況下。此外，還有必要限制初級側(cè)與次級側(cè)間的寄生電容，從而防止產(chǎn)生過多的電磁干擾 (EMI)。

Fly-Buck? 轉(zhuǎn)換器

Fly-Buck 轉(zhuǎn)換器是德州儀器 (TI) 用于搭建隔離式偏置電源的專用拓撲，其工作輸入電壓可高達 100V。

與反激式轉(zhuǎn)換器一樣，金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET) 通常集成在集成電路 (IC) 中，可輕松實現(xiàn)初級側(cè)控制。 圖 3 所示為 Fly-Buck轉(zhuǎn)換器。此拓撲采用同步降壓轉(zhuǎn)換器與耦合電感器，可產(chǎn)生一個或多個隔離式輸出。高側(cè)開關打開時，初級側(cè)作為降壓轉(zhuǎn)換器運行，而次級繞組電流為零。高側(cè)開關關閉且低側(cè)開關打開時，初級側(cè)利用其儲存的能量對次級側(cè)供電。

圖 3. Fly-Buck? 轉(zhuǎn)換器。