1.前言

可供電子設備設計人員使用的工具箱不斷增加。要為工作選擇合適的工具，我們需要充分了解工作，知道存在哪些類型的工具，以及如何充分利用它們。

確?？绺綦x屏障的良好信號和電源傳輸是設計人員面臨的共同挑戰(zhàn)。為了安全和抗噪性，或由于系統(tǒng)域之間的潛在差異，隔離可能是必要的。例如，手機充電器內部是絕緣的，這樣用戶在發(fā)生短路時不會直接接觸到電。在工廠機器人等應用中，敏感的控制電路放置在單獨的接地上，該接地與感應大直流電流并導致噪聲和接地反彈的電機隔離。

通信和傳感通?？绺綦x屏障實施。使用 CAN 或 CAN FD 協(xié)議通信的汽車應用可以使用具有集成隔離功能和收發(fā)器組件的隔離式 CAN 收發(fā)器來隔離來自車輛高壓側的信號。工業(yè)應用可以使用 CAN 協(xié)議進行長距離串行通信，也可以使用 RS-485 協(xié)議。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號類似，設計人員可以利用專為 RS-485 協(xié)議設計的隔離收發(fā)器。保護繼電器使用隔離的電流和電壓傳感器來感應通過電網的功率。當牽引逆變器和電機驅動器接收到來自電機控制器的脈寬調制信號并將其通過絕緣體時，柵極驅動器會打開或關閉絕緣柵雙極晶體管。

隔離式偏置轉換器通過提供從絕緣屏障一側到另一側的偏置電源來實現隔離式通信和感測。電流和電壓傳感器、數字隔離器和柵極驅動器通常需要不到 15W 的功率，低至幾十毫瓦或更少。圖 1 顯示了這些應用的示例。

2.隔離式 DC/DC 偏置電源要求

從帶有外部電源開關的控制器到將控制器和電源開關集成在一起的轉換器，再到將控制器、電源開關和變壓器集成到一個封裝中的最終電源模塊，有多種解決方案可以提供隔離偏置電源。對于這些不同的偏置電源解決方案和各種應用，了解應用的要求以滿足所需的規(guī)格并同時最大限度地降低成本非常重要。

圖 1：隔離偏置應用

表 1：每種情況下所需的隔離式偏置轉換器規(guī)范

設計人員必須充分了解偏置電源輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出功率的要求。某些應用可能需要多個偏置電壓，因此為每個應用定義適當的輸出調節(jié)非常重要。絕緣等級、環(huán)境工作溫度范圍、EMI 和 EMC 等系統(tǒng)要求會影響設計決策。表 1 僅顯示了無數不同的隔離偏置轉換器規(guī)范中的四種作為示例。

現在讓我們看一下典型的隔離式偏置電源拓撲。

反激式轉換器是一種眾所周知的拓撲結構，已經使用了幾十年。這種電源轉換器具有廣泛的范圍和低成本，使其可用于各種應用。隨著 FET 的集成和初級側調節(jié) (PSR) 技術的進步，這種拓撲越來越受歡迎。

與正向、推挽和半橋等降壓衍生拓撲相比，反激拓撲只需要一個初級開關、一個整流器和一個類似于變壓器（變壓器）的耦合電感器。圖 2 顯示了該轉換器的示意圖。當初級開關打開時，輸入電壓被吸入初級繞組，能量儲存在變壓器的氣隙中。在這種狀態(tài)下，輸出負載僅由輸出電容器供電。當初級開關關斷時，儲存在變壓器中的能量通過整流器轉移到次級開關，提供給負載并對輸出電容器充電。

圖 2：反激式轉換器

反激式轉換器適合用作偏置轉換器的原因有很多。該轉換器在單個轉換級中提供控制和隔離。此外，由于其出色的靈活性，它對于多個輸出很有用。輸出繞組的數量可以根據選定的條件選擇并繞在變壓器上。輸出繞組上的相應電壓用作脈沖系數和初級與次級繞組的匝數比。每個輸出還可以參考不同的接地，以滿足系統(tǒng)隔離要求。相對較低的成本和較寬的輸入和輸出操作范圍也是反激式的優(yōu)點。

為了獲得最佳性能，根據情況設計反激變壓器非常重要。特別是在多路輸出時，變壓器必須與低漏電感很好地耦合，以實現最高效率和最佳調節(jié)。但是，為了防止過大的 EMI，需要限制從初級側移動到次級側時出現的寄生電容。

3.Fly-Buck? 轉換器

Fly-buck 轉換器是德州儀器 (TI) 獨特的拓撲結構，允許設計隔離式偏置電源。該轉換器可在高達 100V 的輸入電壓下工作。與反激式轉換器一樣，MOSFET 通常集成在 IC 內部，初級側的控制非常簡單。圖 3 顯示了一個 Fly-buck 轉換器的示意圖。這種拓撲使用一個電感器與一個同步降壓轉換器耦合來生成一個或多個隔離輸出。當高壓開關打開時，初級側就像一個降壓轉換器，次級繞組電流為零。當低壓開關關閉時，次級側依靠初級側儲存的能量工作。

圖 3：Fly-Buck 轉換器

同步降壓轉換器的廣泛使用使 Fly-buck 轉換器成為一種有吸引力的拓撲結構。在初級輸出電壓下，反饋環(huán)路可以關閉，無需額外的輔助繞組或光耦合器來控制轉換器。耦合電感的結構具有極好的靈活性。這是因為匝數比、絕緣額定值、次級匝數和 PWM 脈沖因子可以根據各種應用進行調整。

與反激式轉換器一樣，必須針對這種情況設計耦合電感。在限制從初級側移動到次級側時出現的寄生電容的同時，管理漏電感非常重要。

對于要求輸入電壓高于 100V 的應用，可以使用帶有外部 MOSFET 的快速降壓轉換器。