【導讀】隔離式DC/DC轉換器常用于提高抗噪聲能力、改善安全性、提供電流隔離等。所以隔離式DC/DC轉換器在電能計量、PLC、IGBT驅動器電源、工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化等應用中都是必需、關鍵的組件。
按照輸出電壓調節(jié)準確度，隔離式DC/DC轉換器常常分為三類，即：已調節(jié)型、未調節(jié)型和半調節(jié)型。本文將討論各種不同的調節(jié)方案和對應的拓撲。對影響調節(jié)準確度的因素進行了詳細地檢查。這將形成一些可在實際設計中改善調節(jié)準確度的設計小貼士。此外，還闡述了每種方案的優(yōu)缺點，旨在為選擇針對某種特定應用需求的合適解決方案提供指導。
隔離式DC/DC轉換器的反饋與控制
隔離式DC/DC轉換器通常采用一個變壓器，以實現(xiàn)輸出和功率級輸入的電隔離(圖1)。
圖1：隔離式DC/DC轉換器功率級的方框圖
圖2：閉環(huán)隔離式DC/DC轉換器的反饋與控制。
未調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器(也被稱為“開環(huán)隔離式 DC/DC 轉換器”)在那些不需要精準輸出電壓的應用中得到了廣泛的使用。一種典型的應用是具有 50% 固定占空比的推挽式轉換器(圖3)。控制電路僅包括一個振蕩器和兩個柵極驅動器，其可產生兩個具有50%固定占空比的互補柵極信號，用以驅動Q1和Q2。選擇適當的變壓器匝數比以提供所需的輸出電壓。既不需要反饋電路也不需要信號隔離器，從而縮減了成本和解決方案尺寸。
圖3：具有50%固定占空比的未調節(jié)型推挽式轉換器。
推挽式轉換器實質上是一種正向導出式拓撲(forward-derived topology)。當其以50%的固定占空比運作時，輸出電壓調節(jié)可以使用圖4中的等效電路來詳細闡述。R是次級變壓器繞組和走線的等效電阻。輸出電壓可由式(1)來表達：
式中的VR是電阻器R兩端的電壓降，VF是二極管正向電壓降，這兩者均與負載電流有關。而且，VR和VF還會隨著環(huán)境溫度而變化，VOUT亦然。如式(1)所示，除了負載電流和環(huán)境溫度之外，VIN也是影響VOUT的一個因素。這些因素根本沒有進行補償，因而有可能導致顯著的輸出電壓變化。這類轉換器之所以被為“未調節(jié)型”，原因即在于此。
圖4：未調節(jié)型推挽式轉換器的等效電路。
已調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器
在未調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器中，輸入電壓、負載電流和環(huán)境溫度均會影響輸出電壓準確度。在那些精準輸出電壓和嚴格調節(jié)至關緊要的應用中，這是無法接受的，因而應采用已調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器。我們以圖5所示的反激式轉換器為例來詳細闡述如何實現(xiàn)嚴格的調節(jié)。與未調節(jié)型推挽式轉換器(圖3)相比，已調節(jié)型反激式轉換器具有一個額外的反饋電路。另外，還采用了一個光耦合器以把控制信號從次級側傳輸至初級側，同時實現(xiàn)電流隔離。
采用光耦合器的優(yōu)勢在于可以把反饋電路布設在次級側。這樣，就能夠直接感測和調節(jié)輸出電壓(即 VSENSE=VOUT)，這反過來又補償了輸入電壓、負載電流和溫度對輸出電壓調節(jié)的所有影響。因此，通常可以預期在整個工作輸入電壓、負載電流和溫度范圍內實現(xiàn)1%至3%的嚴格調節(jié)準確度。
使用光耦合器也有幾個缺點。首先，光耦合器在控制環(huán)路中引入了一個額外的極點，這將降低轉換器帶寬。其次，光耦合器具有很大的“逐件變異”(unit-to-unit variation)以及電流傳輸比(CTR)中的溫度和壽命劣化，因而使得控制環(huán)路設計受到約束。
圖5：采用一個光耦合器的已調節(jié)型反激式轉換器。
半調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器
未調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器雖然不需要任何光耦合器，但其無法提供任何的調節(jié)。與之相反，已調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器可提供嚴格的輸出電壓調節(jié)，然而卻需要使用一個光耦合器。在許多應用中，客戶可能不希望采用光耦合器，但要求對輸出電壓實施一定程度的調節(jié)。所謂“半調節(jié)型”隔離式DC/DC轉換器將是合適的解決方案。
從輸出電壓調節(jié)的角度來看，半調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器介乎于未調節(jié)型和已調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器之間。與已調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器相似，半調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器也具有一個反饋電路。然而，它并不直接感測和調節(jié)輸出。取而代之的是，它只檢測一個與次級側上的輸出電壓相似、但通常參考于初級輸入電壓的電壓。這些方法也許不能實現(xiàn)與已調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器準確度相同的輸出電壓，但其免除了光耦合器，同時獲得了相當好的輸出電壓調節(jié)性能。在本文中討論的三個例子是Fly-Buck轉換器、具有交叉調節(jié)輸出的反激式轉換器和初級側調節(jié)(PSR)反激式轉換器。
Fly-Buck轉換器
Fly-Buck 轉換器基本上就是一個同步降壓型轉換器，它具有一個耦合至其電感器的額外繞組，用以生成一個隔離式輸出(VOUT)。除了次級側上的隔離式輸出之外，F(xiàn)ly-Buck轉換器還在初級側上提供了一個已調節(jié)輸出(VP)。初級側輸出的調節(jié)方式與獨立型同步降壓轉換器相同，如式(2)：
式中的D為圖6中的降壓開關Q1的占空比。當低壓側同步開關Q2導通時VP反射至次級側并被整流為VOUT。等效電路示于圖7。VOUT可利用式(3)來計算：
圖6：Fly-Buck轉換器。
圖7：Fly-Buck轉換器的等效電路。
當Q1導通時，輸出電容器COUT放電，提供負載電流。當Q2導通時，輸出電容器電荷得到補充以保持調節(jié)作用。實際上，變壓器或多或少會有一些漏電感，其決定了次級繞組中用于對輸出電容器進行充電的電流的斜坡上升速率。漏電感和占空比會影響輸出電壓調節(jié)。應盡可能地減小漏電感并謹慎地選擇最大的工作占空比，以減輕它們對于調節(jié)的影響。憑借正確的設計，大概可以實現(xiàn)5%至10%(具體數值取決于負載電流范圍)的輸出電壓調節(jié)。
具有交叉調節(jié)輸出的反激式轉換器
反激式轉換器能夠很容易地生成多個輸出，而不必像其他DC/DC轉換器拓撲那樣常常需要增設額外的輸出濾波電感器。在多輸出配置中(圖8)，只有一個輸出Vaux是直接調節(jié)的，而其他的VOUT則依靠交叉調節(jié)。一般地，通過使已調節(jié)輸出Vaux參考于初級側上的輸入VIN，就能免除圖5所示的已調節(jié)型反激式轉換器的光耦合器。次級側上的隔離式輸出VOUT可由式(4)給出：
圖8：具有交叉調節(jié)輸出的反激式轉換器。
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PSR反激式轉換器
雖然線路輸入電壓調節(jié)性能優(yōu)良，但是Fly-Buck和依賴于交叉調節(jié)的反激式轉換器均無法補償負載電流對輸出電壓調節(jié)的影響。因此，輸出電壓準確度取決于負載電流。PSR反激式轉換器(圖9)旨在通過更加準確地檢測輸出電壓來最大限度地抑制這種依存性。
圖9：PSR 反激式轉換器。
圖10：PSR反激式轉換器的電壓檢測方案。
結語
為了實現(xiàn)電流隔離和安全性并改善抗噪聲能力，在隔離式DC/DC轉換器中對次級側和初級側進行了電隔離。功率級和控制電路都運用了這種隔離。輸出電壓的檢測和調節(jié)方式決定了輸出電壓調節(jié)準確度。未調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器擁有最低的成本和最簡單的電路，但沒有調節(jié)功能。已調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器可在整個線路輸入電壓、負載和溫度范圍內提供嚴格的調節(jié)，但需要使用一個光耦合器或數字隔離器IC。半調節(jié)型隔離式DC/DC轉換器則在輸出電壓調節(jié)和電路復雜性之間進行了折衷。最合適的解決方案應根據具體的應用需求來選擇。
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