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作者：ADI公司 在設(shè)計(jì)電源時(shí)，要回答的第一個(gè)問(wèn)題是是否需要電氣隔離。 使用電氣隔離有多個(gè)原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動(dòng)系統(tǒng)操作，防止嘈雜的接地電流在一個(gè)電路中通過(guò)不同的電子設(shè)備傳播。常見(jiàn)的兩種隔離拓?fù)涫欠醇まD(zhuǎn)換器和正向轉(zhuǎn)換器。但是，對(duì)于較高的功率，使用推挽、半橋和全橋等其他隔離拓?fù)洹Ｈ绻恍枰姎飧綦x，則大多數(shù)情況下使用非隔離拓?fù)洹８綦x拓?fù)淇偸切枰?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/變壓器" target="_blank" class="relatedlink">變壓器，而這種設(shè)備往往昂貴而笨重，并且滿足定制電源所需的確切需求的現(xiàn)成設(shè)備通常很難得到。本文將以亞德諾半導(dǎo)體（ADI）的數(shù)字隔離電源技術(shù)為例，探討常用的反激式與正向隔離電源的設(shè)計(jì)。 
隔離電源的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 除了非隔離拓?fù)渫猓恍⿷?yīng)用需要電氣隔離電源轉(zhuǎn)換器，需要采用隔離拓?fù)洹２捎酶綦x拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原因可能是出于安全考慮，在不同電路相互連接的大型系統(tǒng)中需要有浮動(dòng)接地，或者在噪聲敏感應(yīng)用中需要防止接地電流環(huán)路。常見(jiàn)的隔離轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫欠醇まD(zhuǎn)換器和正向轉(zhuǎn)換器。 反激轉(zhuǎn)換器通常用于高達(dá)60 W的功率電平。電路的工作方式是，在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電能存儲(chǔ)在變壓器中。在斷開(kāi)時(shí)，該電能釋放到轉(zhuǎn)換器的副邊，為輸出供電。這種轉(zhuǎn)換器容易構(gòu)建，但需要相對(duì)較大的變壓器來(lái)存儲(chǔ)正常操作所需的所有電能。這一方面使得該拓?fù)鋬H限于較低的功率電平。 除了反激轉(zhuǎn)換器，正向轉(zhuǎn)換器也很流行。它使用變壓器的方式與反激轉(zhuǎn)換器不同，在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，雖然有電流流過(guò)一次繞組，但也有電流流過(guò)二次繞組。電能不應(yīng)存儲(chǔ)在變壓器線圈中。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期后，我們都必須確保線圈的所有磁化釋放到零，使得變壓器在若干開(kāi)關(guān)周期后不會(huì)飽和。利用幾項(xiàng)不同的技術(shù)就可以從線圈中釋放電能，一種常用方式是使用帶有小型額外開(kāi)關(guān)和電容的有源鉗位。 除反激和正向拓?fù)渫猓�有很多基于不同變壓器的電氣隔離轉(zhuǎn)換器概念。推挽拓?fù)漕愃朴谡蜣D(zhuǎn)換器拓?fù)洌撏負(fù)湫枰獌蓚�(gè)有源低邊開(kāi)關(guān)，而不是一個(gè)低邊開(kāi)關(guān)。與正向轉(zhuǎn)換器相比，推挽轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)的噪聲通常更低，而且需要的變壓器更小，變壓器的BH曲線的滯回在兩個(gè)象限而非一個(gè)象限中使用。半橋/全橋這兩種拓?fù)渫ǔＳ糜诟吖β实脑O(shè)計(jì)，從幾百瓦開(kāi)始一直到幾千瓦。除了低端開(kāi)關(guān)，它們還需要高端開(kāi)關(guān)，但可通過(guò)相對(duì)較小的變壓器實(shí)現(xiàn)很高的電能傳輸。 基于ADP1071反激式轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì) ADP1071-1/ADP1071-2是一款專為隔離式DC-DC電源設(shè)計(jì)的PWM電流模式固定頻率同步反激式控制器。ADP1071-1/ADP1071-2集成了ADI專有iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)，無(wú)需龐大的信號(hào)變壓器和光耦合器，同時(shí)降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、成本，減少了元器件數(shù)量，并提高了系統(tǒng)的整體可靠性。ADP1071-1/ADP1071-2在原邊和副邊均集成了隔離器和驅(qū)動(dòng)器，提供緊湊的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，在重負(fù)載下的效率優(yōu)于二極管整流反激式轉(zhuǎn)換器。 ADP1071同樣是業(yè)界首批隔離式固定頻率、電流模式控制器電氣隔離電源設(shè)計(jì)一般采用反激式轉(zhuǎn)換器。這些調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，下圖所示為這類調(diào)節(jié)器的典型設(shè)計(jì)，其中采用了一個(gè) ADP1071 反激式控制器。之所以能看出這是一個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)樗狞c(diǎn)和變壓器并不匹配。其中采用了原邊電源開(kāi)關(guān)(Q1)。此外，也需要采用副邊整流器電路。這可以采用肖特基二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，但為了獲得更高效率，一般會(huì)使用一個(gè)有源開(kāi)關(guān)（下圖中為Q2）。對(duì)應(yīng)的ADP1071控制器負(fù)責(zé)控制這些開(kāi)關(guān)，并為反饋路徑FB提供電氣隔離。
基于隔離式同步正向控制器ADP1074的設(shè)計(jì) 雖然反激式轉(zhuǎn)換器極為常用，但這種拓?fù)浯嬖趯?shí)用局限性。上面圖中的變壓器T1并未作為典型的變壓器使用。當(dāng)Q1處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，不會(huì)有電流流經(jīng)T1的次級(jí)繞組。初級(jí)電流的電能幾乎全部存儲(chǔ)在變壓器線圈中。降壓轉(zhuǎn)換器在扼流圈（電感）中存儲(chǔ)電能，反激式轉(zhuǎn)換器采用與之類似的方式在變壓器中存儲(chǔ)電能。當(dāng)Q1處于閉合狀態(tài)時(shí)，T1的次級(jí)會(huì)形成電流，為輸出電容COUT 和輸出提供電能。這種概念很容易實(shí)現(xiàn)，但在更高功率下概念本身存在局限。變壓器T1被用作儲(chǔ)能元件。所以，該變壓器也能稱為耦合電感（扼流圈）。這就要求變壓器存儲(chǔ)所需的電能。電源的電能等級(jí)越高，需要的變壓器體積越大，成本越高。在大部分應(yīng)用中，功率上限約為60 W。 如果需要使用電氣隔離電源來(lái)獲取更高功率，那么正向轉(zhuǎn)換器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。概念如下圖所示。在這里，變壓器真正用作典型變壓器。當(dāng)電流流過(guò)初級(jí)的Q1時(shí)，次級(jí)也會(huì)形成電流。所以，變壓器無(wú)需具備儲(chǔ)能作用。事實(shí)上，反過(guò)來(lái)也是成立的。必須確保變壓器始終在Q1閉合期間放電，以免它在幾個(gè)周期后意外達(dá)到飽和。 如果是實(shí)現(xiàn)相同功率，正向轉(zhuǎn)換器所需的變壓器體積比反激式轉(zhuǎn)換器所需的體積小。所以，即使在功率等級(jí)低于60 W時(shí)，正向轉(zhuǎn)換器也非常實(shí)用。但存在一個(gè)缺點(diǎn)，即必須避免變壓器線圈在每個(gè)周期無(wú)意地存儲(chǔ)電能，這應(yīng)由圖2中開(kāi)關(guān)Q4和電容C C 的有源箝位布線實(shí)現(xiàn)。此外，正向轉(zhuǎn)換器一般要求在輸出端采用額外的電感L1。但是，如此之后，在同等功率水平下，輸出電壓的紋波會(huì)比使用反激式轉(zhuǎn)換器時(shí)低。 電源管理IC ADP1074提供了一個(gè)非常緊湊的正向轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)解決方案。當(dāng)需要高于約60 W的功率水平時(shí)，通常會(huì)使用這種結(jié)構(gòu)。低于60 W時(shí)，根據(jù)電路的復(fù)雜性和可實(shí)現(xiàn)的效率，采用正向轉(zhuǎn)換器也是比采用反激式轉(zhuǎn)換器更好的選擇。為了更簡(jiǎn)單地確定使用哪種拓?fù)洌ㄗh使用免費(fèi)電路模擬器LTspice模擬仿真。下圖所示為在LTspice模擬環(huán)境下，ADP1074正向轉(zhuǎn)換器電路的模擬仿真原理圖。 與ADP1071一樣，ADP1074是業(yè)界首批隔離式固定頻率、電流模式控制器。在正向轉(zhuǎn)換器中，輸出路徑中有一個(gè)反激轉(zhuǎn)換器中所沒(méi) 有的額外電感。盡管這個(gè)額外的組件具有相關(guān)的空間和成本影響，但與反激轉(zhuǎn)換器相比，它有助于產(chǎn)生較低噪聲 的輸出電壓。此外，在與反激轉(zhuǎn)換器相同的功率電平下，正向轉(zhuǎn)換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。
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