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隔離式DC/DC轉換器是眾多應用所必需的組件，這些應用包括了電能計量、PLC、IGBT驅動器電源、工業現場總線和工業自動化等。此類轉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的多個輸出電壓軌。 按照輸出電壓調節準確度，隔離式DC/DC轉換器常常分為三類，即：已調節型、未調節型和半調節型。本文將討論各種不同的調節方案和對應的拓撲。對影響調節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計中改善調節準確度的設計小貼士。此外，還闡述了每種方案的優缺點，旨在為選擇針對某種特定應用需求的合適解決方案提供指導。 隔離式DC/DC轉換器的反饋與控制 隔離式DC/DC轉換器通常采用一個變壓器，以實現輸出和功率級輸入的電隔離(圖1)。 圖1：隔離式DC/DC轉換器功率級的方框圖 在閉環隔離式DC/DC轉換器中(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，初級側與次級側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。假設基準電壓VREF在整個溫度范圍內保持精準和穩定，那么調節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)。 圖2：閉環隔離式DC/DC轉換器的反饋與控制。 未調節型隔離式DC/DC轉換器 未調節型隔離式DC/DC轉換器(也被稱為“開環隔離式 DC/DC 轉換器”)在那些不需要精準輸出電壓的應用中得到了廣泛的使用。一種典型的應用是具有 50% 固定占空比的推挽式轉換器(圖3)。控制電路僅包括一個振蕩器和兩個柵極驅動器，其可產生兩個具有50%固定占空比的互補柵極信號，用以驅動Q1和Q2。選擇適當的變壓器匝數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。 圖3：具有50%固定占空比的未調節型推挽式轉換器。 推挽式轉換器實質上是一種正向導出式拓撲(forward-derived topology)。當其以50%的固定占空比運作時，輸出電壓調節可以使用圖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。而且，VR和VF還會隨著環境溫度而變化，VOUT亦然。如式(1)所示，除了負載電流和環境溫度之外，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。這類轉換器之所以被為“未調節型”，原因即在于此。 圖4：未調節型推挽式轉換器的等效電路。 與推挽式轉換器相似，未調節型隔離式DC/DC轉換器的其他常用拓撲是半橋和全橋(H橋)式轉換器。由于成本低且電路十分簡單，因此這些未調節型隔離式DC/DC轉換器常被用作DC變壓器，以提供電流隔離。低壓降(LDO)穩壓器通常用作后置穩壓器，以提供低噪聲和低紋波電源。 已調節型隔離式DC/DC轉換器 在未調節型隔離式DC/DC轉換器中，輸入電壓、負載電流和環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節至關緊要的應用中，這是無法接受的，因而應采用已調節型隔離式DC/DC轉換器。我們以圖5所示的反激式轉換器為例來詳細闡述如何實現嚴格的調節。與未調節型推挽式轉換器(圖3)相比，已調節型反激式轉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傳輸至初級側，同時實現電流隔離。 采用光耦合器的優勢在于可以把反饋電路布設在次級側。這樣，就能夠直接感測和調節輸出電壓(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節的所有影響。因此，通常可以預期在整個工作輸入電壓、負載電流和溫度范圍內實現1%至3%的嚴格調節準確度。 使用光耦合器也有幾個缺點。首先，光耦合器在控制環路中引入了一個額外的極點，這將降低轉換器帶寬。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，因而使得控制環路設計受到約束。 圖5：采用一個光耦合器的已調節型反激式轉換器。 半調節型隔離式DC/DC轉換器 未調節型隔離式DC/DC轉換器雖然不需要任何光耦合器，但其無法提供任何的調節。與之相反，已調節型隔離式DC/DC轉換器可提供嚴格的輸出電壓調節，然而卻需要使用一個光耦合器。在許多應用中，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節。所謂“半調節型”隔離式DC/DC轉換器將是合適的解決方案。 從輸出電壓調節的角度來看，半調節型隔離式DC/DC轉換器介乎于未調節型和已調節型隔離式DC/DC轉換器之間。與已調節型隔離式DC/DC轉換器相似，半調節型隔離式DC/DC轉換器也具有一個反饋電路。然而，它并不直接感測和調節輸出。取而代之的是，它只檢測一個與次級側上的輸出電壓相似、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與已調節型隔離式DC/DC轉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節性能。在本文中討論的三個例子是Fly-Buck轉換器、具有交叉調節輸出的反激式轉換器和初級側調節(PSR)反激式轉換器。 1. Fly-Buck轉換器 Fly-Buck 轉換器基本上就是一個同步降壓型轉換器，它具有一個耦合至其電感器的額外繞組，用以生成一個隔離式輸出(VOUT)。除了次級側上的隔離式輸出之外，Fly-Buck轉換器還在初級側上提供了一個已調節輸出(VP)。初級側輸出的調節方式與獨立型同步降壓轉換器相同，如式(2)： 式中的D為圖6中的降壓開關Q1的占空比。當低壓側同步開關Q2導通時VP反射至次級側并被整流為VOUT。等效電路示于圖7。VOUT可利用式(3)來計算： 圖6：Fly-Buck轉換器。 圖7：Fly-Buck轉換器的等效電路 與式(1)和圖4所說明的未調節型推挽式轉換器相似，Fly-Buck的隔離式輸出是VR和VF(它們均取決于負載電流和溫度)的一個函數。然而，VP是一個由反饋電路調節的恒定電壓，這就使得VP(因而也包括VOUT)與VIN無關。對于Fly-Buck轉換器的隔離式輸出，VIN的影響得到了補償，但是負載電流和溫度的影響則并未予以補償。于是，Fly-Buck轉換器歸類于半調節型隔離式DC/DC轉換器。 當Q1導通時，輸出電容器COUT放電，提供負載電流。當Q2導通時，輸出電容器電荷得到補充以保持調節作用。實際上，變壓器或多或少會有一些漏電感，其決定了次級繞組中用于對輸出電容器進行充電的電流的斜坡上升速率。漏電感和占空比會影響輸出電壓調節。應盡可能地減小漏電感并謹慎地選擇最大的工作占空比，以減輕它們對于調節的影響。憑借正確的設計，大概可以實現5%至10%(具體數值取決于負載電流范圍)的輸出電壓調節。 2. 具有交叉調節輸出的反激式轉換器 反激式轉換器能夠很容易地生成多個輸出，而不必像其他DC/DC轉換器拓撲那樣常常需要增設額外的輸出濾波電感器。在多輸出配置中(圖8)，只有一個輸出Vaux是直接調節的，而其他的VOUT則依靠交叉調節。一般地，通過使已調節輸出Vaux參考于初級側上的輸入VIN，就能免除圖5所示的已調節型反激式轉換器的光耦合器。次級側上的隔離式輸出VOUT可由式(4)給出： 圖8：具有交叉調節輸出的反激式轉換器。 式中的VRs和VRa分別是次級繞組和輔助繞組的等效電阻電壓降。VRs、VRa、VFD1和VFD2均為其自身電流的函數。在次級繞組和輔助繞組中流動的電流是不均勻的，因而在VOUT和Vaux之間的負載調節中導致失配。結果，VOUT的負載調節就沒有Vaux那么好。隔離式輸出與VIN無關，這表明可獲得優良的線路輸入電壓調節性能。由于交叉調節輸出取決于負載電流范圍，故而通常可以實現5%至10%的輸出電壓調節。 3. PSR反激式轉換器 雖然線路輸入電壓調節性能優良，但是Fly-Buck和依賴于交叉調節的反激式轉換器均無法補償負載電流對輸出電壓調節的影響。因此，輸出電壓準確度取決于負載電流。PSR反激式轉換器(圖9)旨在通過更加準確地檢測輸出電壓來最大限度地抑制這種依存性。 圖9：PSR 反激式轉換器。 通過運作于不連續導通模式(DCM)或邊界導通模式(BCM)，次級電流在每個開關周期中恢復至零。圖10示出了DCM中的輔助繞組電壓分布。PSR反激式轉換器通過一個專用的鑒頻器和采樣器電路在拐點處(此時的次級電流近似為零)檢測輔助繞組電壓VSENSE。在采樣點上，由于次級電流為零，因此在繞組和走線兩端沒有電阻壓降。而且，采樣點處的二極管正向壓降變成一個常數VOFFSET，這與實際負載電流無關。于是，檢測電壓變為： 圖10：PSR反激式轉換器的電壓檢測方案。 正因為如此，無論負載電流怎樣，VSENSE都很好地代表了輸出電壓，僅具有一個可通過調整電壓反饋電阻分壓器予以抵消的固定電壓。這樣，負載電流對于輸出電壓調節的影響便得到了最大限度的減弱，并可預期實現上佳的負載調節。由于PSR反激式轉換器對線路輸入電壓和負載變動均實施了補償，所以能夠實現優于5%的總調節性能。 結論 為了實現電流隔離和安全性并改善抗噪聲能力，在隔離式DC/DC轉換器中對次級側和初級側進行了電隔離。功率級和控制電路都運用了這種隔離。輸出電壓的檢測和調節方式決定了輸出電壓調節準確度。未調節型隔離式DC/DC轉換器擁有最低的成本和最簡單的電路，但沒有調節功能。已調節型隔離式DC/DC轉換器可在整個線路輸入電壓、負載和溫度范圍內提供嚴格的調節，但需要使用一個光耦合器或數字隔離器IC。半調節型隔離式DC/DC轉換器則在輸出電壓調節和電路復雜性之間進行了折衷。最合適的解決方案應根據具體的應用需求來選擇。 (參考原文：Understanding isolated DC/DC converter voltage regulation，by Haifeng Fan) |
