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作者：Diarmuid Carey，ADI公司應(yīng)用工程師 摘要 在電源管理領(lǐng)域，有多種多樣的應(yīng)用需要隔離型電源轉(zhuǎn)換，例如醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)，目的是保護(hù)最終用戶(hù)或防止輸入干擾輸出（或兩者兼而有之）。本文將詳細(xì)討論隔離型開(kāi)關(guān)電源(SMPS)，并介紹相關(guān)應(yīng)用中常用的正激式和反激式隔離轉(zhuǎn)換拓?fù)洹Ｎ覀儗⒀芯扛鞣NSMPS器件的優(yōu)缺點(diǎn)，以及它們?cè)诓煌β仕较碌倪m用性。本文旨在幫助讀者清楚地了解如何為特定應(yīng)用選擇正確的隔離拓?fù)洹?br /> 引言 隔離是指電氣系統(tǒng)防止電流在設(shè)計(jì)的兩個(gè)獨(dú)立（隔離）部分之間直接流動(dòng)的能力。眾多應(yīng)用場(chǎng)景都可能需要隔離；例如，有些場(chǎng)合需要將輸入與輸出隔離開(kāi)來(lái)。功能隔離是指將輸入地和輸出地分開(kāi)，中斷接地環(huán)路，從而防止高噪聲電源干擾輸出側(cè)�；蛘撸煞�(wěn)壓器供電的下游負(fù)載可能需要與輸入側(cè)的高電壓隔離開(kāi)來(lái)，這種情況屬于基本隔離。有些系統(tǒng)需要更高等級(jí)的隔離，以便提升系統(tǒng)的安全性和可靠性。 除了高等級(jí)安全性和隔離需求之外，選擇隔離拓?fù)溥�有其他原因。在高升壓/降壓應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)降壓或升壓轉(zhuǎn)換器無(wú)法滿(mǎn)足較小占空比和最小導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間要求，因此需要采用隔離拓?fù)洹Ｔ诜聪鄳?yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)正電壓到負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換，需要使用隔離器件。 多輸出應(yīng)用可以采用隔離拓?fù)�，通過(guò)多輸出變壓器，從單個(gè)電源轉(zhuǎn)換器提供多個(gè)輸出。以上只是隔離拓?fù)淇梢园l(fā)揮作用的部分領(lǐng)域。 反激式轉(zhuǎn)換器 反激式轉(zhuǎn)換器是一種隔離型SMPS，它利用變壓器將能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆�。它可以配置為降壓或升壓兩種模式。一個(gè)開(kāi)關(guān)（通常是晶體管，用于開(kāi)啟和關(guān)閉能量傳輸）與變壓器的初級(jí)繞組串聯(lián)連接。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，能量?jī)?chǔ)存在變壓器的磁場(chǎng)中。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，能量通過(guò)整流電路傳輸?shù)捷敵龆�。整流電路采用低損耗肖特基二極管，或者如果需要更高效率的話(huà)，可以采用有源開(kāi)關(guān)。文章“如何設(shè)計(jì)一款采用次級(jí)側(cè)同步整流的無(wú)光耦反激式轉(zhuǎn)換器”討論了采用有源次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。能量在導(dǎo)通周期存儲(chǔ)在變壓器中，在關(guān)斷周期釋放到輸出端，因此反激式設(shè)計(jì)能夠傳輸?shù)哪芰渴怯邢薜�。由于物理限制，變壓器的尺寸也是有限的。這進(jìn)而又限制了變壓器的電流能力：能量太大的話(huà)，變壓器線(xiàn)圈就會(huì)飽和。 反激式變壓器還有一個(gè)細(xì)節(jié)需要注意，就是極性指示，它用一個(gè)簡(jiǎn)單的圓點(diǎn)表示繞組彼此間的相對(duì)極性。反激式拓?fù)涞某跫?jí)繞組和次級(jí)繞組是錯(cuò)相關(guān)系，因此初級(jí)側(cè)的頂部有一個(gè)圓點(diǎn)，次級(jí)側(cè)的底部也有一個(gè)圓點(diǎn)，表示初級(jí)與次級(jí)的電流和電壓彼此錯(cuò)相180°。 傳統(tǒng)的反激式方案（見(jiàn)圖1）使用光耦合器來(lái)閉合反饋環(huán)路并維持穩(wěn)壓。然而，這種方法有一些缺點(diǎn)。光耦合器存在功耗高、速度慢（環(huán)路響應(yīng)難以?xún)?yōu)化）、體積大、性能隨著時(shí)間推移容易退化等局限性。此外，光耦合器需要偏置才能工作，因此電路次級(jí)側(cè)需要額外的電路，導(dǎo)致電路板面積增大。光耦合器基于LED，因此其性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減。電流和溫度越高，衰減速度越快。光耦合器的性能衰減可由長(zhǎng)期電流傳輸比(CTR)曲線(xiàn)加以說(shuō)明。器件不同，衰減也會(huì)有所不同。因此，對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用而言，光耦合器并非可靠的解決方案。 
圖1.傳統(tǒng)方案1 圖2顯示了另一種反激式方案，它利用第三繞組向控制電路提供次級(jí)側(cè)信息，從而維持穩(wěn)壓。然而，雖然去掉了體積龐大的光耦合器及相關(guān)的偏置電路，但第三繞組仍會(huì)導(dǎo)致變壓器的物理尺寸變大，而且其對(duì)輸出變化的響應(yīng)較慢，可能造成瞬態(tài)響應(yīng)不佳。
圖2.傳統(tǒng)方案2 什么是無(wú)光耦反激式轉(zhuǎn)換器？ 另一類(lèi)反激式轉(zhuǎn)換器是無(wú)光耦反激式轉(zhuǎn)換器（見(jiàn)圖3）。無(wú)光耦是指轉(zhuǎn)換器不使用光耦合器從隔離側(cè)向轉(zhuǎn)換器提供反饋以維持穩(wěn)壓。相反，無(wú)光耦反激式轉(zhuǎn)換器通過(guò)觀測(cè)反激脈沖波形，對(duì)初級(jí)側(cè)的隔離輸出電壓進(jìn)行采樣。
圖3.LT8300無(wú)光耦反激應(yīng)用電路（36 V至72 V VIN，5 V VOUT） 這種設(shè)計(jì)在電路板面積和可靠性方面有諸多優(yōu)勢(shì)。不存在光耦合器意味著可以省去相應(yīng)的空間和次級(jí)側(cè)反饋元件。相對(duì)于使用第三繞組的設(shè)計(jì)，變壓器尺寸也更小。對(duì)于空間非常寶貴的應(yīng)用，例如便攜式設(shè)備或緊湊型電子裝置，電路板面積減少尤為重要。 當(dāng)電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)電流將增大，最高達(dá)到峰值限流值（每個(gè)IC有不同的限流值），此時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電壓上升至如下電壓值：輸出電壓(VOUT)乘以初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比(Nps)加上輸入電壓(VIN)。
額定開(kāi)關(guān)電壓對(duì)于非隔離型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器很重要。然而，使用此類(lèi)轉(zhuǎn)換器時(shí)需要更加小心，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓等于輸出電壓乘以變壓器匝數(shù)比加上最大輸入電壓。此外還要注意漏感尖峰，因此設(shè)計(jì)需要確保當(dāng)所有這些情況疊加在一起時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓不會(huì)超過(guò)額定值。 什么是漏感？ 漏感是一種寄生電感，存在于所有基于變壓器的電路中，包括本文討論的反激式和正激式轉(zhuǎn)換器。它被視為不直接連接到目標(biāo)電路，但通過(guò)變壓器的磁場(chǎng)耦合到目標(biāo)電路的電感。漏感是一個(gè)寄生元件。這意味著它不是直接包含在電路設(shè)計(jì)中，而是由于變壓器的物理特性而存在的。可以認(rèn)為它是變壓器磁場(chǎng)從初級(jí)繞組泄漏到次級(jí)繞組或從次級(jí)繞組泄漏到初級(jí)繞組的結(jié)果。 正激式和反激式轉(zhuǎn)換器的能量傳輸方式不同，因此漏感對(duì)它們的影響也不同。對(duì)于反激式轉(zhuǎn)換器，當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，漏感會(huì)導(dǎo)致初級(jí)開(kāi)關(guān)兩端出現(xiàn)電壓尖峰，并且負(fù)載電流越大，電壓尖峰越明顯。電路設(shè)計(jì)人員需要確保有足夠的裕量來(lái)應(yīng)對(duì)任何最壞情況下的漏電壓尖峰。因此，初級(jí)上的反射輸出電壓需要始終低于最大開(kāi)關(guān)電壓，即初級(jí)MOSFET的絕對(duì)最大額定值（初級(jí)MOSFET可集成到反激式轉(zhuǎn)換器中，或作為單獨(dú)的元件提供，具體取決于功率水平）。 在變壓器設(shè)計(jì)中，漏感控制至關(guān)重要。因此，應(yīng)與變壓器制造商密切合作，盡量降低漏感，或直接選用漏感極小的變壓器。如果上述方案不可行，可通過(guò)在變壓器初級(jí)側(cè)增加緩沖電路來(lái)有效抑制電壓尖峰。有關(guān)這些電路設(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)參閱反激式轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADI公司的LT8300微功耗隔離反激式轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)此有更詳細(xì)的討論。 正激式轉(zhuǎn)換器 正激式轉(zhuǎn)換器也使用變壓器將能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆耍粋�(gè)開(kāi)關(guān)與變壓器的初級(jí)繞組串聯(lián)連接，就像反激式轉(zhuǎn)換器一樣。區(qū)別在于，正激式轉(zhuǎn)換器不依賴(lài)變壓器作為儲(chǔ)能元件，而是將能量立即傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)，在其中進(jìn)行整流和濾波，以提供高于或低于輸入電壓的受控隔離輸出（通過(guò)改變變壓器匝數(shù)比進(jìn)行調(diào)整）。通過(guò)觀察變壓器上的圓點(diǎn)指示，可以輕松識(shí)別這種拓?fù)洹３跫?jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的相位指示對(duì)齊，表示初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的電流和電壓相移為0°。
圖4.LT8310，12 V輸出正激式轉(zhuǎn)換器 次級(jí)側(cè)有兩個(gè)整流二極管（非同步方案），還有一個(gè)由電感和電容組成的輸出濾波器，用以減少輸出紋波。LT8310能夠在無(wú)光耦配置下運(yùn)行，類(lèi)似于無(wú)光耦反激式拓?fù)�，但如果需要，它也可以采用光耦合器反饋。它還能利用SOUT引腳驅(qū)動(dòng)次級(jí)側(cè)MOSFET，從而實(shí)現(xiàn)同步整流正激式拓?fù)�，有助于�?yōu)化效率。
圖5.LT8310，光耦合器反饋 在效率、負(fù)載電流能力、尺寸和成本方面，反激式轉(zhuǎn)換器和正激式轉(zhuǎn)換器存在一些重要差異。 效率：一般來(lái)說(shuō)，正激式轉(zhuǎn)換器比反激式轉(zhuǎn)換器效率更高，因?yàn)榍罢咭蜩F芯飽和和漏感而產(chǎn)生的損耗較小。然而，轉(zhuǎn)換器的效率還取決于電路的具體設(shè)計(jì)和所使用的元件。例如，功率水平就是一個(gè)很重要的考量因素。因此，不同轉(zhuǎn)換器之間不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行直接比較。傳統(tǒng)上，這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率差距較大，但隨著更高效元件的出現(xiàn)，兩者的效率已經(jīng)非常接近。 負(fù)載電流能力：正激式轉(zhuǎn)換器的變壓器設(shè)計(jì)支持更大的電流流過(guò)初級(jí)繞組，因此其處理的負(fù)載電流通常高于反激式轉(zhuǎn)換器。能量在同一周期內(nèi)傳輸（正激式），而不是存儲(chǔ)起來(lái)（反激式），因此限制負(fù)載電流能力的因素是變壓器尺寸。由于變壓器的限制，反激式轉(zhuǎn)換器通常用于不超過(guò)60 W至70 W的應(yīng)用，超過(guò)此功率時(shí)，正激式轉(zhuǎn)換器是更優(yōu)的解決方案，能夠提供數(shù)百瓦的功率。 尺寸：反激式轉(zhuǎn)換器因變壓器設(shè)計(jì)更緊湊且所需元件較少（FET更少且濾波器更簡(jiǎn)單），其尺寸往往小于正激式轉(zhuǎn)換器。在對(duì)尺寸有嚴(yán)格要求的應(yīng)用（如便攜式設(shè)備）中，反激式轉(zhuǎn)換器的較小尺寸可能是一個(gè)重要的考量因素。 成本：反激式轉(zhuǎn)換器因變壓器設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單且所需元件更少，往往比正激式轉(zhuǎn)換器便宜。表1簡(jiǎn)單地比較了這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)電路所需的元件數(shù)量�？梢钥闯�，反激式轉(zhuǎn)換器是一種更簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方案。即使設(shè)計(jì)進(jìn)一步復(fù)雜化，例如加入同步整流或因反饋需求而使用光耦合器，正激式轉(zhuǎn)換器從元器件方面來(lái)看仍然是更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，不僅會(huì)導(dǎo)致成本更高，而且需要更大的電路板面積。 表1.元件數(shù)量比較：正激式與反激式
什么是次級(jí)側(cè)控制器？是否需要次級(jí)側(cè)控制器？ 正激式和反激式轉(zhuǎn)換器均無(wú)需次級(jí)側(cè)控制器，而是利用次級(jí)側(cè)（變壓器的隔離側(cè)）的一個(gè)二極管（正激式轉(zhuǎn)換器需要兩個(gè)）來(lái)工作。然而，這不一定是最有效的方法。另一種方法是用低損耗MOSFET取代二極管，此時(shí)需要次級(jí)側(cè)控制器。它是一種開(kāi)關(guān)控制器，用于控制隔離柵次級(jí)側(cè)MOSFET的通斷。有些開(kāi)關(guān)控制器（如LT8311）可能包括額外的電路來(lái)監(jiān)測(cè)輸出電壓，并將此信息提供給隔離柵的初級(jí)側(cè)。信息傳輸通過(guò)光耦合器信號(hào)實(shí)現(xiàn)。圖6展示了一個(gè)應(yīng)用電路，其中LT3753正激轉(zhuǎn)換器與LT8311配合使用，通過(guò)光耦合器反饋實(shí)現(xiàn)次級(jí)側(cè)控制。
圖6.LT8311在正激應(yīng)用中用作次級(jí)側(cè)控制器 再回過(guò)來(lái)看設(shè)計(jì)中是否需要次級(jí)側(cè)控制器的問(wèn)題。就像所有與電源有關(guān)的問(wèn)題一樣，答案是取決于具體情況�？紤]因素包括系統(tǒng)要求、精度、效率、項(xiàng)目時(shí)間表、成本等。不過(guò)，使用次級(jí)側(cè)控制器會(huì)帶來(lái)一些優(yōu)勢(shì)，這對(duì)決策可能有所幫助。 提高效率：次級(jí)側(cè)控制器支持用低RDS(ON)的MOSFET代替二極管，這有助于降低次級(jí)側(cè)的功耗，從而提高系統(tǒng)效率。 提升穩(wěn)壓能力：它可以監(jiān)測(cè)輸出電壓和電流，并向初級(jí)側(cè)提供反饋，幫助維持穩(wěn)定準(zhǔn)確的輸出電壓。由此可以實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)，并提高輸出電壓穩(wěn)定性。 靈活性：有些次級(jí)側(cè)控制器可能包含多種附加功能，使變換器更加靈活，能夠勝任更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。 可能需要隔離型電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用示例： ► 醫(yī)療設(shè)備：醫(yī)療設(shè)備通常需要隔離電源，以防止患者和醫(yī)務(wù)人員受到電擊。隔離還能防止患者電信號(hào)與設(shè)備相互干擾，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的診斷和治療。 ► 工業(yè)控制：許多系統(tǒng)需要隔離電源，例如通信接口電源、工業(yè)自動(dòng)化電源。隔離通常用于工業(yè)控制系統(tǒng)，以保護(hù)敏感電子設(shè)備免受高壓瞬變和電噪聲的影響。 ► 汽車(chē)系統(tǒng)：汽車(chē)系統(tǒng)也需要隔離電源，以防止不同子系統(tǒng)之間產(chǎn)生電氣干擾，并保護(hù)電子系統(tǒng)免受電壓尖峰和瞬變的影響。 ► 通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)需要隔離電源，例如電信和數(shù)據(jù)通信高功率密度電源(PSU)。 ► 可再生能源系統(tǒng)：出于安全原因，隔離也用于太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力發(fā)電廠等可再生能源系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換，以防止系統(tǒng)不同部分之間產(chǎn)生干擾。 ► 電池供電系統(tǒng)：隔離在電池供電的系統(tǒng)中也很重要，尤其是在電池充電和放電時(shí)，需要通過(guò)隔離來(lái)保護(hù)敏感電子元件免受高壓瞬變的影響并確保安全。 結(jié)論 總之，隔離廣泛用于需要分離電源轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)以確保安全性、準(zhǔn)確性和可靠性的應(yīng)用。反激式和正激式轉(zhuǎn)換器都是隔離型SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用于相關(guān)的隔離應(yīng)用。選擇何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，取決于應(yīng)用的具體要求，以及對(duì)效率、隔離、尺寸、負(fù)載電流能力和成本等因素的權(quán)衡。 參考文獻(xiàn) Saikumar T.V.和K.S. Bhanuprasad，“如何設(shè)計(jì)一款采用次級(jí)側(cè)同步整流的無(wú)光耦反激式轉(zhuǎn)換器”，ADI公司，2014年。 Frederik Dostal，“當(dāng)反激式轉(zhuǎn)換器達(dá)到極限”，ADI公司，2020年11月。 Nikolas Ledoux，“利用功能隔離斷開(kāi)接地環(huán)路，減少數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤”，ADI公司，2011年11月。 作者簡(jiǎn)介 Diarmuid Carey是歐洲中央應(yīng)用中心的應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)在愛(ài)爾蘭利默里克。他自2008年以來(lái)一直擔(dān)任應(yīng)用工程師，并于2017年加入ADI公司，為歐洲的眾多市場(chǎng)客戶(hù)提供電源和隔離產(chǎn)品組合的設(shè)計(jì)支持。他擁有利默里克大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。 |
