采用隔離降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立 工業(yè)應(yīng)用隔離電源

　　簡介

　　工業(yè)電源應(yīng)用一般需要高輸入電壓。標(biāo)準(zhǔn)電壓為24 V、36 V和48 V。用于工業(yè)應(yīng)用電源電路的DC/DC步降(降壓)開關(guān)穩(wěn)壓控制器需要滿足噪聲、電涌和斷電環(huán)境下穩(wěn)定可靠的性能要求。

　　工業(yè)系統(tǒng)電源要求通常相當(dāng)復(fù)雜，往往需要通過電流隔離滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，并抑制噪聲敏感應(yīng)用接地環(huán)路干擾。

　　例如，PLC和I/O模塊等新型工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，不斷增加I/O通道數(shù)量提高傳感精度。因此，不同電壓之間隔離是數(shù)/模信號(hào)隔離或通道間隔離，防止公共接地噪聲干擾的首選。

　　采用反激式電源轉(zhuǎn)換器生成偏壓電源所需各種電壓是實(shí)現(xiàn)這類隔離電源的傳統(tǒng)方法。反激式設(shè)計(jì)一般采用變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈不對(duì)稱匝數(shù)比，以及光電耦合器和用于反饋調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)或輔助繞組。此外，反激式轉(zhuǎn)換器需要精心設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路以保證穩(wěn)定性，從而造成設(shè)計(jì)過程繁瑣，大量元器件構(gòu)成的解決方案體積龐大，成本高。

　　本文介紹一種更簡便的方法不采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)隔離電壓。

　　隔離式同步降壓轉(zhuǎn)換器

　　隔離式降壓轉(zhuǎn)換器采用帶有耦合電感線圈的同步降壓轉(zhuǎn)換器生成隔離輸出(見圖1)。由于變壓器初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)比更加匹配，采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的隔離式轉(zhuǎn)換器可利用體積更小的變壓器實(shí)現(xiàn)等效能量傳輸。由于次級(jí)輸出與初級(jí)調(diào)節(jié)輸出電壓緊密相符，因此不需要光耦合器或輔助繞組，有助于減小解決方案尺寸并降低成本。

　　圖 1. 生成兩路輸出的隔離式降壓轉(zhuǎn)換器

　　這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　· 便于生成正負(fù)隔離電源

　　· 初級(jí)側(cè)電源可為負(fù)載供電，不必與VIN隔離

　　· 與傳統(tǒng)反激式方法相比設(shè)計(jì)更加簡單

　　· 解決方案組件數(shù)量比傳統(tǒng)反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)少，尺寸更小

　　為展示這種電源設(shè)計(jì)的簡易性，我們以SiC462為例，該器件是6 A系列全集成同步降壓穩(wěn)壓器中的一款產(chǎn)品。由于出色的硅片(MOSFET和驅(qū)動(dòng)器)和封裝設(shè)計(jì)技術(shù)，這些器件具有很高的功率轉(zhuǎn)換效率和功率密度，并減小寄生效應(yīng)。

　　根據(jù)型號(hào)，本系列中使用的功率級(jí)可提供3 A至10 A連續(xù)電流。輸出電壓可在0.8 V至0.9 * Vin之間調(diào)節(jié)，輸入范圍4.5 V至60 V。這些器件具有豐富的功能，如多種輸出工作電流極低的省電模式、可調(diào)工作頻率、快速瞬態(tài)響應(yīng)、逐周電流限制、可調(diào)電流限制、過壓保護(hù)(OVP)、過溫保護(hù)(OTP)、欠壓保護(hù)(UVP)、電源良好信號(hào)正常、跟蹤、排序、最小工作頻率25 kHz，以避免可聞噪聲的超聲模式、軟啟動(dòng)等，輸入輸出采用全陶瓷電容解決方案。這種靈活性便于我們?cè)O(shè)計(jì)生成兩路輸出，單路隔離，具有良好調(diào)節(jié)輸出的電源。

　　這種設(shè)計(jì)的基本要求如下：

　　· Vin: 32 V至56 V

　　· Vout: 2 A時(shí)為12 V，1A時(shí)為隔離5 V(稱為Iso +5)

　　· 最小負(fù)載：滿載值的10%

　　該設(shè)計(jì)基于雙繞組電感降壓穩(wěn)壓器。電感“反激”電路用于生成另一路輸出。這是一種連續(xù)反激式設(shè)計(jì)，SiC462始終以全同步模式工作，即使無負(fù)載條件下。這是因?yàn)榉€(wěn)壓器具有“模式”選擇功能。這種功能允許在不同模式下工作，取決于具體要求。兩種工作模式：“節(jié)電”模式，這種情況下穩(wěn)壓器進(jìn)入深度不連續(xù)工作，能量每秒只傳送到輸出端幾次，而“連續(xù)模式”則在每個(gè)開關(guān)周期傳送能量。輕載連續(xù)工作效率不高;不過，這種工作模式可以改善瞬態(tài)響應(yīng)，并且可在輕載或零負(fù)載條件下增加反激繞組。

　　圖3中，電感器L1由高溫粉末環(huán)形磁芯組成，“初級(jí)”和“次級(jí)”雙線繞組分別為24圈和16圈。這個(gè)電感器是專門為這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的(非標(biāo))，并且是在我們的實(shí)驗(yàn)室中搭建的。由于穩(wěn)壓器主環(huán)路控制電壓Vout，因此低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感器兩端電壓保持恒定，如圖2A所示。

　　圖 2A. MOSFET導(dǎo)通時(shí)常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器工作狀態(tài)  

圖 2B.“反激式變壓器”取代電感器

　　如圖2B所示，當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電路變?yōu)楹唵蔚陌胝{(diào)節(jié)反激電路。初級(jí)繞組為24圈，電壓為12 V / 24圈= 0.5 V每圈。

　　根據(jù)反激繞組，16圈x 0.5 V每圈= 8 V。圖3中考慮到二極管D1下降0.65 V，我們得出的結(jié)果為7.35 V。此外，繞組DCR和反激式變壓器耦合系數(shù)也產(chǎn)生壓降。因此所得結(jié)果約為6.5V。注意，L1旁邊的“藍(lán)點(diǎn)”表示圖2B和圖3中繞組的相位?，F(xiàn)在，我們使用“反激式變壓器”與“電感器”互換。

　　從下面性能特征可以看出(見圖6A和6B)，這種設(shè)計(jì)中輸入電容應(yīng)力大大增加。由于存在漏感，反激輸出端使用的二極管D1兩端需要加一個(gè)由C27和R17組成的緩沖電路。LX節(jié)點(diǎn)到電源地需要加一個(gè)由C17和R8組成的緩沖電路，以限制SiC462受到器件寄生效應(yīng)產(chǎn)生的電壓峰值的影響。

　　圖 3. 雙輸出穩(wěn)壓器電路圖

　　反激繞組對(duì)電路工作的作用是使電感低于標(biāo)稱值。以下是示波器顯示的各種波形(電路網(wǎng)參見圖3，波形描述參見圖5)。

　　· CH1，黃色：電感電流;電感至Lx節(jié)點(diǎn)電流

　　· Ch2，藍(lán)色：Lx節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓

　　· Ch4，綠色：5 V回路與D1陽極之間反激繞組電壓(L1 16圈繞組兩端)

　　以下是顯示電路工作狀態(tài)的部分示例波形。

　　圖 4. 45 Vin 處Iso +5無載，主 +12 0.2 A時(shí)的波形

　　圖4所示為連續(xù)電流模式下“正?！苯祲翰ㄐ?。平均電流為0.2 A。

　　現(xiàn)在，我們?cè)黾?12輸出(主繞組)電流，僅使+5 Iso負(fù)載電流為零：

　　圖 5. 45 Vin 處Iso +5無載，主 +12 2 A時(shí)的波形

　　上面圖5中，L1主繞組峰間電流保持不變，但平均電流增加。

　　現(xiàn)在，我們?cè)黾?5 Iso負(fù)載，而將主繞組電流降至零來增加反激繞組電流：

　　圖 6. 45 Vin 處Iso +5滿載(1 A)，主 +12 0.2 A時(shí)的波形

　　如圖4至圖6所示，反激電壓(C16兩端電壓)在各種工作條件要求下基本不變。

　　圖 6A. 45 Vin 處Iso +5為0A負(fù)載，+12為2A負(fù)載 圖 6B. 45 Vin 處Iso +5為1A負(fù)載，+12為2A負(fù)載

　　圖6A和6B中，我們用洋紅線表示高邊開關(guān)峰值電流，它們與輸入電容的紋波電流相同。注意，當(dāng)加載5V時(shí)，兩個(gè)圖中相同工作點(diǎn)電流峰值顯著提高。為這種應(yīng)用以及針對(duì)任何電磁兼容性(EMC)要求選擇輸入電容時(shí)，必須考慮這種增加的紋波電流。

　　如圖7所示，輸入電壓范圍內(nèi)效率曲線非常平坦。

　　圖 7. 輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)效率曲線(包括次級(jí)開關(guān)穩(wěn)壓器U10)

　　如圖8所示，主 + 12V輸出各種負(fù)載條件下線性調(diào)整非常出色

　　圖 8. 各種輸出負(fù)載和線路電壓條件下主 + 12V輸出電壓調(diào)整

　　反激繞組C18兩端DC輸出電壓沒有得到很好調(diào)節(jié)。32至56V輸入范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)約10%線性調(diào)整。但是，如果輸入總線Vin范圍不如本設(shè)計(jì)例寬，實(shí)現(xiàn)3-4%線性調(diào)整對(duì)于應(yīng)用目的來說是比較合理的。如果線性調(diào)整要求更嚴(yán)格，或者在更寬的輸入電壓范圍內(nèi)需要更好的性能，可以使用開關(guān)穩(wěn)壓器(圖2中的U10)抑或線性穩(wěn)壓器。

　　結(jié)語

　　隨著需要多個(gè)隔離電壓、浮動(dòng)偏置電壓和負(fù)輸出電壓，PLC和I/O模塊電源設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜。PLC廣泛用于工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和流程控制。柵極驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)算放大器和隔離通信接口，如RS-485、RS-232等，對(duì)不同隔離電源的要求需要更簡單的方法生成這些電壓，同時(shí)滿足減少元件數(shù)量、縮小PCB尺寸以及低高度緊湊設(shè)計(jì)的要求。

　　這種模擬板設(shè)計(jì)是SiC462等高壓系列降壓穩(wěn)壓器的推出實(shí)現(xiàn)新型設(shè)計(jì)的一個(gè)例子。