非常見問題第214期：您是否知道隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換無需使用光耦合器？

問題：

無光耦解決方案如何幫助應(yīng)對隔離式DC-DC設(shè)計挑戰(zhàn)？

答案：

幸好，有一種全新的無光耦反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，可省去光耦合器和相關(guān)反饋電路，并且無需使用第三變壓器繞組。新解決方案還帶來了新的輸出電壓精度基準(zhǔn)。

簡介

出于安全原因或為了確保復(fù)雜系統(tǒng)正常工作，我們有時需要使用隔離式DC-DC解決方案。傳統(tǒng)的隔離解決方案會使用光耦合器和附加電路，或者復(fù)雜的變壓器設(shè)計，以形成跨越隔離柵的反饋環(huán)路，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。各種附加元件使設(shè)計變得復(fù)雜而龐大。光耦合器會隨著時間的推移而退化，降低系統(tǒng)的可靠性。此外，終端設(shè)備的外形尺寸越來越小，給電源所留的空間很有限，增加了散熱管理的難題。在開始新的隔離式DC-DC設(shè)計時，系統(tǒng)工程師必須解決所有這些難題。系統(tǒng)工程師需要一種體積小、成本低、高度可靠且易于設(shè)計的解決方案?，F(xiàn)在，您可以使用無光耦解決方案簡化設(shè)計并縮小解決方案尺寸。

在什么情況下使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器？為什么？

各行各業(yè)（比如工廠自動化、樓宇自動化、電動汽車、汽車電子、航空電子、醫(yī)療設(shè)備、商業(yè)設(shè)備等）中的許多電力系統(tǒng)都會采用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，原因有三：

安全：防止浪涌電流

損壞設(shè)備并防止人員受到主電源的傷害。圖1顯示了一個主電源與次級隔離的電力系統(tǒng)，其中操作人員可能會接觸到次級。如果沒有適當(dāng)?shù)陌踩綦x措施，發(fā)生雷擊時，極高的浪涌電壓可能會通過設(shè)備沖擊操作人員和地面。其后果幾乎是致命的。此處的隔離柵可以將危險的浪涌能量引回主接地，防止其流向操作人員。

圖1.安全隔離。

避免形成接地環(huán)路：在大型或復(fù)雜系統(tǒng)中，不同區(qū)域會存在接地電位差。此處通過隔離來避免形成破壞性的接地環(huán)路，并將數(shù)字噪聲與精密模擬系統(tǒng)隔離。

圖2.通過隔離避免形成接地環(huán)路。

電平轉(zhuǎn)換：有時，許多電源軌混合組成的系統(tǒng)會使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換來生成多個隔離正向和/或負(fù)向輸出電壓。

圖3.電平轉(zhuǎn)換隔離。

隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器基本原理

圖4顯示了一個傳統(tǒng)的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。該解決方案使用光耦合器、誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源來構(gòu)成一個跨越隔離柵的反饋環(huán)路。在此實現(xiàn)方案中，輸出電壓通過誤差放大器進(jìn)行檢測，然后將其與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。信息通過光耦合器傳送到隔離柵另一側(cè)的主面，主面的控制電路對功率級進(jìn)行調(diào)制以調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖4.使用光耦合器和相關(guān)反饋電路的傳統(tǒng)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

這種解決方案一直都能很好地發(fā)揮其作用，但隨著設(shè)備尺寸逐漸縮小，導(dǎo)致其幾乎沒有容身之地。光耦合器、誤差放大器和基準(zhǔn)電壓電路共有12個元件，大大增加了總設(shè)計元件數(shù)，并占用很大的電路板空間（圖5）。大家自然希望能省去這種電路。

圖5.使用光耦合器、誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源的傳統(tǒng)反饋電路。

光耦合器還面臨另一個大問題：其性能會隨溫度變化，并隨著時間推移而下降，從而導(dǎo)致某些應(yīng)用出現(xiàn)可靠性問題。圖6顯示了典型光耦合器的電流傳輸比(CTR)，在-60°C至+120°C溫度范圍內(nèi)其變化率達(dá)270%1。除此之外，此CTR還會隨著時間的推移下降30%至40%2,3,4。

圖6.光耦合器集電極電流與環(huán)境溫度的關(guān)系。1

省去光耦合器

主面控制拓?fù)洌河幸环N省去光耦合器的方式是采用主面控制法。在此方案中，電源隔離變壓器上的第三繞組用于在“關(guān)斷”周期內(nèi)間接測量輸出電壓。圖7顯示了這種電路。反射電壓VW與輸出電壓成正比，公式如下：

其中VO是輸出電壓，VF是輸出整流二極管壓降，Na是第三繞組匝數(shù)，NS是次級繞組匝數(shù)。

圖7.使用第三繞組的主面控制。

雖然這種方法可以有效地省去光耦合器，但卻產(chǎn)生了一系列新問題：

(a) 添加第三繞組會使變壓器的設(shè)計和構(gòu)造更復(fù)雜，增加更多成本。

(b) 反射電壓與輸出整流二極管電壓VF相關(guān)。此外，VF會隨負(fù)載和溫度而變化。這會導(dǎo)致檢測的輸出電壓出現(xiàn)誤差。

(c) VW上的漏感振鈴會進(jìn)一步增加檢測輸出電壓的讀數(shù)誤差。

這種主面控制法提供的輸出電壓調(diào)節(jié)性能不佳，因此在許多應(yīng)用中并不實用，迫使設(shè)計人員使用后置穩(wěn)壓器，這會增加更多成本，并增大總體解決方案的尺寸。

無光耦反激式拓?fù)洌簾o光耦反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器是主面控制法的一種變化形式。這種方式通過直接檢測主面電壓避免了上述問題(a)，所以無需使用電源變壓器中的第三繞組。這一改進(jìn)顯著降低了變壓器設(shè)計和構(gòu)造的復(fù)雜性，并且簡化了PCB布局。圖8描述了這種拓?fù)洹?/p>

圖8.無光耦反激式電路。

反射電壓VP與輸出電壓成正比，公式如下：

其中VO是輸出電壓，VF是輸出整流二極管壓降，NP是初級繞組匝數(shù)，NS是次級繞組匝數(shù)。

無光耦反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不新鮮，而它仍然受困于上述其他兩個問題(b)和(c)。此例中(c)對應(yīng)的不是VW，而是VP上的漏感振鈴。對于這種無光耦反激式電路，輸出電壓調(diào)節(jié)性能不佳仍然是嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

所幸，近來的電路設(shè)計發(fā)展和專有技術(shù)有效地改善了這一瓶頸問題。我們來仔細(xì)看看！

克服輸出電壓調(diào)節(jié)不佳的問題

圖9顯示了MAX17690，它提供一種無光耦反激隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，輸出電壓調(diào)節(jié)精度達(dá)±5%。

圖9.無光耦反激式電路實現(xiàn)新的輸出電壓調(diào)節(jié)基準(zhǔn)。

為了消除檢測輸出電壓的讀數(shù)誤差，MAX17690在次級電流ISEC較低時對反射電壓進(jìn)行采樣。此技術(shù)可減緩由輸出負(fù)載引起的二極管壓降變化。這款I(lǐng)C還具有補(bǔ)償二極管電壓及其隨溫度變化的功能。另外還采用先進(jìn)技術(shù)來濾除漏感振鈴?？傊?，這款I(lǐng)C為無光耦反激式拓?fù)鋷砹诵碌妮敵鲭妷赫{(diào)節(jié)基準(zhǔn)。

圖10顯示的變體MAX17691還集成了功率FET和電流檢測元件，因此僅需極少外部元件即可構(gòu)建完整電路。它以一種非常簡單的形式提供了高性能的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案。

圖10.高度集成的無光耦反激式解決方案。

MAX17690和MAX17691都能實現(xiàn)很好的輸出電壓調(diào)節(jié)。圖11顯示了它們在不同溫度、線路和負(fù)載條件下的性能。

圖11.MAX17690/MAX17691輸出電壓調(diào)節(jié)。新基準(zhǔn)！

結(jié)論

設(shè)備和電路板空間越來越小，導(dǎo)致使用光耦合器構(gòu)建反饋環(huán)路的傳統(tǒng)大尺寸隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器逐漸失去其實用價值。此外還有另一道阻礙，光耦合器的性能會隨溫度變化并隨著時間的推移而下降。無光耦反激式拓?fù)涓唵?，需要的外部元件更少，自然是更好的選擇。設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新改進(jìn)顯著提高了輸出電壓調(diào)節(jié)性能，使無光耦反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器具有實用性，成為隔離電源應(yīng)用的正確選擇。

參考資料

1. “Optocoupler, Phototransistor Output, Low Input Current, SSOP-4, Half-Pitch, Mini-Flat Package（光耦合器、光電晶體管輸出、低輸入電流、SSOP-4、半間距、小型扁平封裝）?！盫ishay Intertechnology, Inc. 2023年1月。

2. “Vishay光耦合器應(yīng)用筆記，文檔編號：80059。”Vishay Intertechnology, Inc. 2008年1月。

3. “Basic Characteristics and Application Circuit Design of Transistor Couplers（晶體管耦合器的基本特性和應(yīng)用電路設(shè)計）”。Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation，2018年。

4. T. Bajenesco?！癈TR Degradation and Ageing Problem of Optocouplers（光耦合器的CTR退化和老化問題）?！钡谒膶霉虘B(tài)和IC技術(shù)國際會議論文集，1995年10月。