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作者：ADI公司 在設計電源時，要回答的第一個問題是是否需要電氣隔離。 使用電氣隔離有多個原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動系統操作，防止嘈雜的接地電流在一個電路中通過不同的電子設備傳播。常見的兩種隔離拓撲是反激轉換器和正向轉換器。但是，對于較高的功率，使用推挽、半橋和全橋等其他隔離拓撲。如果不需要電氣隔離，則大多數情況下使用非隔離拓撲。隔離拓撲總是需要變壓器，而這種設備往往昂貴而笨重，并且滿足定制電源所需的確切需求的現成設備通常很難得到。本文將以亞德諾半導體（ADI）的數字隔離電源技術為例，探討常用的反激式與正向隔離電源的設計。 
隔離電源的主要拓撲結構 除了非隔離拓撲外，一些應用需要電氣隔離電源轉換器，需要采用隔離拓撲。采用隔離拓撲結構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中需要有浮動接地，或者在噪聲敏感應用中需要防止接地電流環路。常見的隔離轉換器拓撲是反激轉換器和正向轉換器。 反激轉換器通常用于高達60 W的功率電平。電路的工作方式是，在導通時間內，電能存儲在變壓器中。在斷開時，該電能釋放到轉換器的副邊，為輸出供電。這種轉換器容易構建，但需要相對較大的變壓器來存儲正常操作所需的所有電能。這一方面使得該拓撲僅限于較低的功率電平。 除了反激轉換器，正向轉換器也很流行。它使用變壓器的方式與反激轉換器不同，在導通時間內，雖然有電流流過一次繞組，但也有電流流過二次繞組。電能不應存儲在變壓器線圈中。在每個開關周期后，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關周期后不會飽和。利用幾項不同的技術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關和電容的有源鉗位。 除反激和正向拓撲外，還有很多基于不同變壓器的電氣隔離轉換器概念。推挽拓撲類似于正向轉換器拓撲，但該拓撲需要兩個有源低邊開關，而不是一個低邊開關。與正向轉換器相比，推挽轉換器的優點是運行時的噪聲通常更低，而且需要的變壓器更小，變壓器的BH曲線的滯回在兩個象限而非一個象限中使用。半橋/全橋這兩種拓撲通常用于更高功率的設計，從幾百瓦開始一直到幾千瓦。除了低端開關，它們還需要高端開關，但可通過相對較小的變壓器實現很高的電能傳輸。 基于ADP1071反激式轉換器電路設計 ADP1071-1/ADP1071-2是一款專為隔離式DC-DC電源設計的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數字隔離技術，無需龐大的信號變壓器和光耦合器，同時降低了系統設計的復雜性、成本，減少了元器件數量，并提高了系統的整體可靠性。ADP1071-1/ADP1071-2在原邊和副邊均集成了隔離器和驅動器，提供緊湊的系統級設計，在重負載下的效率優于二極管整流反激式轉換器。 ADP1071同樣是業界首批隔離式固定頻率、電流模式控制器電氣隔離電源設計一般采用反激式轉換器。這些調節器的設計非常簡單，下圖所示為這類調節器的典型設計，其中采用了一個 ADP1071 反激式控制器。之所以能看出這是一個反激式轉換器，是因為它的點和變壓器并不匹配。其中采用了原邊電源開關(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實現，但為了獲得更高效率，一般會使用一個有源開關（下圖中為Q2）。對應的ADP1071控制器負責控制這些開關，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的設計 雖然反激式轉換器極為常用，但這種拓撲存在實用局限性。上面圖中的變壓器T1并未作為典型的變壓器使用。當Q1處于開啟狀態時，不會有電流流經T1的次級繞組。初級電流的電能幾乎全部存儲在變壓器線圈中。降壓轉換器在扼流圈（電感）中存儲電能，反激式轉換器采用與之類似的方式在變壓器中存儲電能。當Q1處于閉合狀態時，T1的次級會形成電流，為輸出電容COUT 和輸出提供電能。這種概念很容易實現，但在更高功率下概念本身存在局限。變壓器T1被用作儲能元件。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所需的電能。電源的電能等級越高，需要的變壓器體積越大，成本越高。在大部分應用中，功率上限約為60 W。 如果需要使用電氣隔離電源來獲取更高功率，那么正向轉換器是一個不錯的選擇。概念如下圖所示。在這里，變壓器真正用作典型變壓器。當電流流過初級的Q1時，次級也會形成電流。所以，變壓器無需具備儲能作用。事實上，反過來也是成立的。必須確保變壓器始終在Q1閉合期間放電，以免它在幾個周期后意外達到飽和。 如果是實現相同功率，正向轉換器所需的變壓器體積比反激式轉換器所需的體積小。所以，即使在功率等級低于60 W時，正向轉換器也非常實用。但存在一個缺點，即必須避免變壓器線圈在每個周期無意地存儲電能，這應由圖2中開關Q4和電容C C 的有源箝位布線實現。此外，正向轉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，輸出電壓的紋波會比使用反激式轉換器時低。 電源管理IC ADP1074提供了一個非常緊湊的正向轉換器設計解決方案。當需要高于約60 W的功率水平時，通常會使用這種結構。低于60 W時，根據電路的復雜性和可實現的效率，采用正向轉換器也是比采用反激式轉換器更好的選擇。為了更簡單地確定使用哪種拓撲，建議使用免費電路模擬器LTspice模擬仿真。下圖所示為在LTspice模擬環境下，ADP1074正向轉換器電路的模擬仿真原理圖。 與ADP1071一樣，ADP1074是業界首批隔離式固定頻率、電流模式控制器。在正向轉換器中，輸出路徑中有一個反激轉換器中所沒 有的額外電感。盡管這個額外的組件具有相關的空間和成本影響，但與反激轉換器相比，它有助于產生較低噪聲 的輸出電壓。此外，在與反激轉換器相同的功率電平下，正向轉換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。
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