採用隔離降壓拓撲結構建立 工業應用隔離電源

簡介

工業電源應用一般需要高輸入電壓。標準電壓為24 V、36 V和48 V。用於工業應用電源電路的DC/DC步降(降壓)開關穩壓控制器需要滿足雜訊、電涌和斷電環境下穩定可靠的性能要求。

工業系統電源要求通常相當複雜，往往需要通過電流隔離滿足安全標準，並抑制雜訊敏感應用接地環路干擾。

例如，PLC和I/O模塊等新型工廠自動化系統中，不斷增加I/O通道數量提高感測精度。因此，不同電壓之間隔離是數/模信號隔離或通道間隔離，防止公共接地雜訊干擾的首選。

採用反激式電源轉換器生成偏壓電源所需各種電壓是實現這類隔離電源的傳統方法。反激式設計一般採用變壓器初級和次級線圈不對稱匝數比，以及光電耦合器和用於反饋調節的基準或輔助繞組。此外，反激式轉換器需要精心設計補償電路以保證穩定性，從而造成設計過程繁瑣，大量元器件構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採用反激式拓撲結構實現隔離電壓。

隔離式同步降壓轉換器

隔離式降壓轉換器採用帶有耦合電感線圈的同步降壓轉換器生成隔離輸出(見圖1)。由於變壓器初級和次級匝數比更加匹配，採用這種拓撲結構的隔離式轉換器可利用體積更小的變壓器實現等效能量傳輸。由於次級輸出與初級調節輸出電壓緊密相符，因此不需要光耦合器或輔助繞組，有助於減小解決方案尺寸並降低成本。

圖 1. 生成兩路輸出的隔離式降壓轉換器

這種拓撲結構具有以下優點：

· 便於生成正負隔離電源

· 初級側電源可為負載供電，不必與VIN隔離

· 與傳統反激式方法相比設計更加簡單

· 解決方案組件數量比傳統反激式拓撲結構少，尺寸更小

為展示這種電源設計的簡易性，我們以SiC462為例，該器件是6 A系列全集成同步降壓穩壓器中的一款產品。由於出色的矽片(MOSFET和驅動器)和封裝設計技術，這些器件具有很高的功率轉換效率和功率密度，並減小寄生效應。

根據型號，本系列中使用的功率級可提供3 A至10 A連續電流。輸出電壓可在0.8 V至0.9 * Vin之間調節，輸入範圍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、可調工作頻率、快速瞬態響應、逐周電流限制、可調電流限制、過壓保護(OVP)、過溫保護(OTP)、欠壓保護(UVP)、電源良好信號正常、跟蹤、排序、最小工作頻率25 kHz，以避免可聞雜訊的超聲模式、軟啟動等，輸入輸出採用全陶瓷電容解決方案。這種靈活性便於我們設計生成兩路輸出，單路隔離，具有良好調節輸出的電源。

這種設計的基本要求如下：

· Vin: 32 V至56 V

· Vout: 2 A時為12 V，1A時為隔離5 V(稱為Iso +5)

· 最小負載：滿載值的10%

該設計基於雙繞組電感降壓穩壓器。電感「反激」電路用於生成另一路輸出。這是一種連續反激式設計，SiC462始終以全同步模式工作，即使無負載條件下。這是因為穩壓器具有「模式」選擇功能。這種功能允許在不同模式下工作，取決於具體要求。兩種工作模式：「節電」模式，這種情況下穩壓器進入深度不連續工作，能量每秒只傳送到輸出端幾次，而「連續模式」則在每個開關周期傳送能量。輕載連續工作效率不高;不過，這種工作模式可以改善瞬態響應，並且可在輕載或零負載條件下增加反激繞組。

圖3中，電感器L1由高溫粉末環形磁芯組成，「初級」和「次級」雙線繞組分別為24圈和16圈。這個電感器是專門為這個項目設計的(非標)，並且是在我們的實驗室中搭建的。由於穩壓器主環路控制電壓Vout，因此低邊開關導通時，電感器兩端電壓保持恆定，如圖2A所示。

圖 2A. MOSFET導通時常規降壓轉換器工作狀態

圖 2B.「反激式變壓器」取代電感器

如圖2B所示，當低邊開關導通時，電路變為簡單的半調節反激電路。初級繞組為24圈，電壓為12 V / 24圈= 0.5 V每圈。

根據反激繞組，16圈x 0.5 V每圈= 8 V。圖3中考慮到二極體D1下降0.65 V，我們得出的結果為7.35 V。此外，繞組DCR和反激式變壓器耦合係數也產生壓降。因此所得結果約為6.5V。注意，L1旁邊的「藍點」表示圖2B和圖3中繞組的相位。現在，我們使用「反激式變壓器」與「電感器」互換。

從下面性能特徵可以看出(見圖6A和6B)，這種設計中輸入電容應力大大增加。由於存在漏感，反激輸出端使用的二極體D1兩端需要加一個由C27和R17組成的緩衝電路。LX節點到電源地需要加一個由C17和R8組成的緩衝電路，以限制SiC462受到器件寄生效應產生的電壓峰值的影響。

圖 3. 雙輸出穩壓器電路圖

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

· CH1，黃色：電感電流;電感至Lx節點電流

· Ch2，藍色：Lx節點對地電壓

· Ch4，綠色：5 V迴路與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的部分示例波形。

圖 4. 45 Vin 處Iso +5無載，主 +12 0.2 A時的波形

圖4所示為連續電流模式下「正常」降壓波形。平均電流為0.2 A。

現在，我們增加+12輸出(主繞組)電流，僅使+5 Iso負載電流為零：

圖 5. 45 Vin 處Iso +5無載，主 +12 2 A時的波形

上面圖5中，L1主繞組峰間電流保持不變，但平均電流增加。

現在，我們增加+5 Iso負載，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負載，+12為2A負載 圖 6B. 45 Vin 處Iso +5為1A負載，+12為2A負載

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

如圖7所示，輸入電壓範圍內效率曲線非常平坦。

圖 7. 輸入電壓和負載範圍內效率曲線(包括次級開關穩壓器U10)

如圖8所示，主 + 12V輸出各種負載條件下線性調整非常出色

圖 8. 各種輸出負載和線路電壓條件下主 + 12V輸出電壓調整

反激繞組C18兩端DC輸出電壓沒有得到很好調節。32至56V輸入範圍內可實現約10%線性調整。但是，如果輸入匯流排Vin範圍不如本設計例寬，實現3-4%線性調整對於應用目的來說是比較合理的。如果線性調整要求更嚴格，或者在更寬的輸入電壓範圍內需要更好的性能，可以使用開關穩壓器(圖2中的U10)抑或線性穩壓器。

結語

隨著需要多個隔離電壓、浮動偏置電壓和負輸出電壓，PLC和I/O模塊電源設計變得十分複雜。PLC廣泛用於工廠自動化、樓宇自動化和流程式控制制。柵極驅動器、運算放大器和隔離通信介面，如RS-485、RS-232等，對不同隔離電源的要求需要更簡單的方法生成這些電壓，同時滿足減少元件數量、縮小PCB尺寸以及低高度緊湊設計的要求。

這種模擬板設計是SiC462等高壓系列降壓穩壓器的推出實現新型設計的一個例子。

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