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穿过隔离栅供电:认识隔离式直流/直流偏置电源

电子设计职员应用的对象箱日月牙异。要找到得当事情的对象,不仅必要懂得手头上的义务和现有对象,还要知道若何充分使用这些对象。

对付设计职员来说,在隔离栅内移动旌旗灯号和电源是一项常见的寻衅。为了前进安然性和抗噪机能,或孕育发生较大年夜的电势差,可能必要在不合的系统域之间进行隔离。例如,手机充电器经由过程内部隔离,可在连接器短路时防止用户触电。

在工厂机械人等其他利用中,敏感节制电路零丁接地,并与孕育发生较大年夜直流电流、噪声和接地反弹的电机隔离。

平日在全部隔离栅中进行通信和感应。具有节制器局域网(CAN) 或 CAN 机动数据速度 (FD) 协议通信的汽车利用,经由过程集成了隔离组件和收发器组件的隔离式 CAN 收发器,可将这类旌旗灯号与汽车的高压侧隔离。工业利用也可以应用 CAN 协讲和 RS-485 协议实现长间隔串行通信。与隔离 CAN 和 CAN FD 旌旗灯号类似,设计职员可应用专为 RS-485 协议设计的隔离式收发器。保护继电器应用隔离式电流和电压传感器感应全部电网中的电力运送。牵引逆变器电机驱动器接管电机节制器发出的脉宽调制旌旗灯号,然后旌旗灯号颠末隔离器栅极驱动器发出开启或关闭绝缘栅双极晶体管的指令。

经由过程供给从隔离栅一侧到另一侧的偏置电源,隔离式偏置转换器可实现隔离通信和感应。电流和电压传感器、数字隔离器和栅极驱动器平日必要 15W 以下以致低至几十毫瓦的电源。图 1 所示为上述每种利用的示例。

图 1. 隔离式偏置利用

隔离式直流/直流偏置电源要求

无论是具有外部电源开关的节制器、将一个节制器与多个电源开关集成的转换器,照样将多个节制器、电源开关和变压器集成为一体的电源模块,都有许多可供给隔离式偏置电源的办理规划。因为偏置电源办理规划种类广泛,涉及的利用也是多种多样,为了以超低资源相符种种规范,周全懂得各类利用要求是异常紧张的。

设计职员至少应懂得偏置电源输入电压范围、输出电压和输出功率要求。一些利用将必要多个偏置电压,是以确定每个输出的可吸收调节范围至关紧张。隔离等级、情况事情温度范围、电磁滋扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC) 等系统要求会进一步驱动设计决策。表 1 从极为广泛的角度展示了隔离式偏置转换器的四种示例规范。

表 1. 隔离式偏置转换器规范示例

下面我们来看隔离式偏置电源拓扑的部分示例。

反激式

反激式转换器是一种众所周知的拓扑布局,数十年来利用广泛。这种电源转换用具有机动性和低资源等特征,可用于多种利用。凭借集成场效应晶体管 (FET) 和低级侧节制等增强功能,这种拓扑布局加倍备受注视。

与正激、推挽和半桥等降压拓扑比拟,反激拓扑仅必要一个低级开关、一个整流器和一个类似变压器的耦合电感器。图2所示为转换器的简化道理图。低级开关打开时,输入电压则施加在低级绕组上,在变压器气隙内储存能量。在这种环境下,仅输出电容器给输出负载供电。低级开关关闭时,储存在变压器中的能量则经由过程整流器运送到次级侧,为负载和输出电容器供电。

图 2.反激式转换器

反激式转换器完全可用作偏置转换器,缘故原由如下:反激式转换器能在一个转换级内实现调节和隔离,也可机动用于多个输出。您可选择输出绕组数量,然后在变压器上萦绕纠缠线圈,来匹配您所选的设置设置设备摆设摆设。输出绕组电压是占空比与低级绕组和次级绕组匝数比的函数。也可以将每一输出端作为不合的接地基准点,从而满意系统隔离要求。反激式转换器的其他上风包括资源相对较低、具有宽的输入输出事情电压范围。

为了实现最佳机能,应对反激式变压器进行合理设计。变压器应优越耦合且漏感低,从而前进效率、实现最优调节,尤其是在多输出的环境下。此外,还有需要限定低级侧与次级侧间的寄生电容,从而防止孕育发生过多的电磁滋扰 (EMI)。

Fly-Buck™转换器

Fly-Buck™转换器是德州仪器TI) 用于搭建隔离式偏置电源的专用拓扑,其事情输入电压可高达 100V。

与反激式转换器一样,金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 平日集成在集成电路 (IC) 中,可轻松实现低级侧节制。图 3 所示为 Fly-Buck™转换器。此拓扑采纳同步降压转换器与耦合电感器,可孕育发生一个或多个隔离式输出。高侧开关打开时,低级侧作为降压转换器运行,而次级绕组电流为零。高侧开关关闭且低侧开关打开时,低级侧使用其储存的能量对次级侧供电。

图 3. Fly-Buck™转换器

同步降压转换器异常普遍,是以 Fly-Buck™转换器拓扑备受青睐。因为反馈环路可在低级输出电压处闭合,是以该转换器无需附加的帮助绕组或光耦合器进行节制。耦合电感布局机动,匝数比、隔离等级、次级绕组数和 PWM 占空比均可控,是以适用于各类利用。

与反激式转换器一样,耦合电感器也必须合理设计。必然要留意节制漏感和低级侧与次级侧间的寄生电容。对付必要 100V以上输入的利用,您可以运器具有外部 MOSFET 的 Fly-Buck™转换器。

推挽式变压器驱动器

推挽式变压器驱动器是适用于低噪声、小型隔离式电源的常用办理规划,由具有严格电压调节功能的输入轨供电,开环运行,固定占空比 50%。MOSFET 集成到 IC 中,可实现紧凑的磁办理规划。

图 4 所示为推挽式拓扑。推挽式拓扑是正激式双端拓扑,有两个 MOSFET 作为接地基准,是以无需外部自举电路。与单正直激式转换器类似,FET 的电压应力是输入电压的两倍。两个 MOSFET 每隔半个周期切换一次,占空比为50%,驱动变压用具有中心抽头的绕组。

图 4. 推挽式变压器驱动器

推挽式变压器驱动器是一种普遍的隔离式偏置电源办理规划,缘故原由如下:它具有机动性,能支持多路输出;其开环设置设置设备摆设摆设省去了反馈环路,从而简化设计。推挽式变压用具有较低的低级-次级电容,与反激式和 Fly-Buck™转换器比拟,能低落共模噪声。别的,推挽式拓扑能更有效地使用变压器铁芯的磁化电流,从而实现比反激式和 Fly-Buck™转换器更小的磁办理规划。

只管变压器驱动用具有许多优点,但也应留意权衡利弊。与反激式和 Fly-Buck™转换器不合,变压器驱动器不支持宽输入电压范围,是以必要严格调节输入电压。因为没有闭合环路,是以不轻易满意输出电压反馈调节要求,可能必要低压降后置稳压器 (LDO)。

电源模块

电压模块具稀有十年的成长历史。这类办理规划异常普遍,与分立式实施要领比拟,可显明前进集成度。电源模块种类繁多,可供给输入电压、输出电压、输出功率、输出数量、隔离等级和调节等选项。

图 5 所示为某电源模块内部运行的方框图。其拓扑包括变压器驱动器,与分立式拓扑相似。某些器件可能集成一个输出LDO 用于调节。

图 5. 电源模块

电源模块供给多种选项,可用于大年夜部分隔离式偏置转换器利用。因为您无需规定、设计或选择变压器,是以可大年夜大年夜简化设计历程;只需加入输入和输出去耦电容器即可开始设计。同样,也供给同步、输出电压选择、使能和差错信令等其他选项。

您在应用专门设置设置设备摆设摆设输出数量和变压器匝数比的模块时,机动性可能会有所低落。与额定情况温度为 125°C 的模块比拟,55°C 和 85°C 选项的模块更受青睐。同样地,采纳完全增强型隔离的模块数量也不及采纳功能型或基础隔离的模块。

下一代偏置办理规划

变压器设计立异和更高频率的拓扑容许 IC 设计职员将变压器和硅芯片集成到一个 IC 中。终端用户无需设计变压器或低落系统机能,即可得到小型轻量级的隔离式直流/直流偏置电源。

图 6 所示为德州仪器 (TI) 偏置电源的方框图。

图 6. UCC12050 隔离式直流/直流偏置电源

只管 UCC12050 看起来与具有集成功率级和整流器的电源模块类似,但钻研 UCC12050 的运行后发明,其开关频率比电源模块高很多。

与开关频率较低的其他电源比拟,UCC12050 的高度和重量都显明低落。应用内部拓扑节制规划,无需 LDO 或外部反馈组件即可实现闭环运行。

UCC12050 为各类隔离式直流/直流偏置电源利用带来很多上风。其设计应用 EMI 优化型变压器,低级侧与次级侧之间的电容仅为 3.5pF,采纳噪声节制规划。无需铁氧体磁珠或LDO,双层 PCB 办理规划本身即相符 CISPR32 B 类标准。该器件机能强劲,增强型隔离额定值为 5kVrms,额定事情电压为1.2kVrms,可在 125°C 情况温度下运行。该器件系列还包括 UCC12040,其基础隔离额定值为 3kVrms,额定事情电压为 800Vrms。

UCC12050 专用于 5V 输入、3.3V 至 5.4V 输出、功率为500mW 的利用。要求更高输入或输出电压的利用将必要前置或后置转换功能。此外,对付要求功率在 UCC12050 降额曲线以上的设计,应懂得替代拓扑。

表 2 对上述各类拓扑进行了对照。很显着,具有外部变压器的拓扑能带来最大年夜的机动性,而电源模块和 UCC12050 简便易用。

表 2.隔离式偏置电源拓扑比较

结论

您身边有许多隔离式电源可以选择,但必要懂得输出数量、调节要求、输出功率、隔离等级、事情温度和输入电压范围等系统级规格。为此,您可以选择这种资源最低、可满意所有系统要求的办理规划。

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