穿過隔離柵供電：認(rèn)識(shí)隔離式直流/ 直流偏置電源

電子設(shè)計(jì)人員使用的工具箱日新月異。要找到適合工作的工具，不僅需要了解手頭上的任務(wù)和現(xiàn)有工具，還要知道如何充分利用這些工具。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，在隔離柵內(nèi)移動(dòng)信號(hào)和電源是一項(xiàng)常見的挑戰(zhàn)。為了提高安全性和抗噪性能，或產(chǎn)生較大的電勢(shì)差， 可能需要在不同的系統(tǒng)域之間進(jìn)行隔離。

例如，手機(jī)充電器通過內(nèi)部隔離，可在連接器短路時(shí)防止用戶觸電。

在工廠機(jī)器人等其他應(yīng)用中，敏感控制電路單獨(dú)接地，并與產(chǎn)生較大直流電流、噪聲和接地反彈的電機(jī)隔離。

通常在整個(gè)隔離柵中進(jìn)行通信和感應(yīng)。具有控制器局域網(wǎng) (CAN) 或 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 (FD) 協(xié)議通信的汽車應(yīng)用，通過集成了隔離組件和收發(fā)器組件的隔離式 CAN 收發(fā)器，可將這類信號(hào)與汽車的高壓側(cè)隔離。工業(yè)應(yīng)用也可以使用 CAN 協(xié)議和 RS-485 協(xié)議實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離串行通信。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號(hào)類似，設(shè)計(jì)人員可使用專為 RS-485 協(xié)議設(shè)計(jì)的隔離式收發(fā)器。保護(hù)繼電器使用隔離式電流和電壓傳感器感應(yīng)整個(gè)電網(wǎng)中的電力輸送。牽引逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收電機(jī)控制器發(fā)出的脈寬調(diào)制信號(hào)，然后信號(hào)經(jīng)過隔離器向柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)出開啟或關(guān)閉絕緣柵雙極晶體管的指令。

通過提供從隔離柵一側(cè)到另一側(cè)的偏置電源，隔離式偏置轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)隔離通信和感應(yīng)。電流和電壓傳感器、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動(dòng)器通常需要 15W 以下甚至低至幾十毫瓦的電源。圖 1 所示為上述每種應(yīng)用的示例。

隔離式直流/直流偏置電源要求

無論是具有外部電源開關(guān)的控制器、將一個(gè)控制器與多個(gè)電源開關(guān)集成的轉(zhuǎn)換器，還是將多個(gè)控制器、電源開關(guān)和變壓器集成為一體的電源模塊，都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。由于偏置電源解決方案種類廣泛，涉及的應(yīng)用也是多種多樣，為了以超低成本符合各類規(guī)范，全面了解各種應(yīng)用要求是非常重要的。

圖 1. 隔離式偏置應(yīng)用。

設(shè)計(jì)人員至少應(yīng)了解偏置電源輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出功率要求。一些應(yīng)用將需要多個(gè)偏置電壓，因此確定每個(gè)輸出的可接受調(diào)節(jié)范圍至關(guān)重要。隔離等級(jí)、環(huán)境工作溫度范圍、電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 等系統(tǒng)要求會(huì)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)決策。表 1 從極為廣泛的角度展示了隔離式偏置轉(zhuǎn)換器的四種示例規(guī)范。

下面我們來看隔離式偏置電源拓?fù)涞牟糠质纠?em>

表 1. 隔離式偏置轉(zhuǎn)換器規(guī)范示例。

反激式

反激式轉(zhuǎn)換器是一種眾所周知的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)十年來應(yīng)用廣泛。這種電源轉(zhuǎn)換器具有靈活性和低成本等特點(diǎn)，可用于多種 應(yīng)用。憑借集成場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 和初級(jí)側(cè)控制等增強(qiáng)功能，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加備受矚目。

與正激、推挽和半橋等降壓拓?fù)湎啾?，反激拓?fù)鋬H需要一個(gè)初級(jí)開關(guān)、一個(gè)整流器和一個(gè)類似變壓器的耦合電感器。 圖 2 所示為轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖。初級(jí)開關(guān)打開時(shí)， 入電壓則施加在初級(jí)繞組上，在變壓器氣隙內(nèi)儲(chǔ)存能量。在這種情況下，僅輸出電容器給輸出負(fù)載供電。初級(jí)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器中的能量則通過整流器輸送到次級(jí)側(cè)，為負(fù)載和輸出電容器供電。

圖 2.反激式轉(zhuǎn)換器。

反激式轉(zhuǎn)換器完全可用作偏置轉(zhuǎn)換器，原因如下：反激式轉(zhuǎn)換器能在一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和隔離，也可靈活用于多個(gè)輸出。您可選擇輸出繞組數(shù)量，然后在變壓器上纏繞線圈，來匹配您所選的配置。輸出繞組電壓是占空比與初級(jí)繞組和次級(jí)繞組匝數(shù)比的函數(shù)。也可以將每一輸出端作為不同的接地基準(zhǔn)點(diǎn)，從而滿足系統(tǒng)隔離要求。反激式轉(zhuǎn)換器的其他優(yōu)勢(shì)包括成本相對(duì)較低、具有寬的輸入輸出工作電壓范圍。

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，應(yīng)對(duì)反激式變壓器進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。變壓器應(yīng)良好耦合且漏感低，從而提高效率、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié)，尤其是在多輸出的情況下。此外，還有必要限制初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)間的寄生電容，從而防止產(chǎn)生過多的電磁干擾 (EMI)。

Fly-Buck? 轉(zhuǎn)換器

Fly-Buck 轉(zhuǎn)換器是德州儀器 (TI) 用于搭建隔離式偏置電源的專用拓?fù)洌涔ぷ鬏斎腚妷嚎筛哌_(dá) 100V。

與反激式轉(zhuǎn)換器一樣，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) 通常集成在集成電路 (IC) 中，可輕松實(shí)現(xiàn)初級(jí)側(cè)控制。 圖 3 所示為 Fly-Buck轉(zhuǎn)換器。此拓?fù)洳捎猛浇祲恨D(zhuǎn)換器與耦合電感器，可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)隔離式輸出。高側(cè)開關(guān)打開時(shí)，初級(jí)側(cè)作為降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，而次級(jí)繞組電流為零。高側(cè)開關(guān)關(guān)閉且低側(cè)開關(guān)打開時(shí)，初級(jí)側(cè)利用其儲(chǔ)存的能量對(duì)次級(jí)側(cè)供電。

圖 3. Fly-Buck? 轉(zhuǎn)換器。