隔離式 DCDC 轉(zhuǎn)換器分流安全設(shè)計(jì)

我們知道我們的并聯(lián)穩(wěn)壓器處于危險(xiǎn)之中嗎？不？別擔(dān)心——修復(fù)是免費(fèi)的。免費(fèi)是好的。

隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中使用的非常常見(jiàn)的反饋電路使用ATL431等分流穩(wěn)壓器和光隔離器將輸出電壓反饋到脈沖寬度調(diào)制器(PWM) 控制器。

ATL43xLI器件是3端子可調(diào)節(jié)并聯(lián)穩(wěn)壓器，在適用的汽車(chē)級(jí)、商用級(jí)和軍用級(jí)溫度范圍內(nèi)均可滿(mǎn)足規(guī)定的熱穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^(guò)兩個(gè)外部電阻器將輸出電壓設(shè)置為介于V-ref（約為2.5V）和36V之間的任意值。

這些器件具有0.3Ω的輸出阻抗典型值。有源輸出電路可提供非常急劇的導(dǎo)通特性，從而使這些器件在許多應(yīng)用中成為齊納二極管的出色 替代品，這些應(yīng)用包括板載穩(wěn)壓、可調(diào)節(jié)電源和開(kāi)關(guān)電源。這款器件是TL431LI和TL432LI的引腳對(duì)引腳替代品，且最低工作電流更低，有助于降低系統(tǒng)功耗。ATL432LI器件具有與ATL431LI器件完全相同的功能和電氣特性，但是具有不同的DBZ封裝引腳排布。ATL431LI器件具有A和B兩個(gè)等級(jí)，25°C下的初始容差分別為1%和0.5%。此外，低輸出溫漂可確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持出色的穩(wěn)定性。ATL43xLIxQ器件的額定工作溫度范圍是–40°C至+125°C。

該電路有效且易于使用。然而，很少有人意識(shí)到隱藏的靜電放電 (ESD)/電氣過(guò)應(yīng)力 (EOS) 危險(xiǎn)。

圖 1：簡(jiǎn)化電路

乍一看，圖 1 中的分流穩(wěn)壓器似乎不受 EOS 影響。V OUT上的過(guò)壓將導(dǎo)致陰極電壓下降，并且由于從參考引腳到陰極引腳的內(nèi)部二極管，參考引腳不會(huì)上升。串聯(lián)電阻將通過(guò)限制基準(zhǔn)和陰極引腳上的電流來(lái)保護(hù)分流器。由于整流器鉗位電壓并且串聯(lián)電阻器限制分流器的電流，負(fù)電壓 V OUT不會(huì)損壞分流器。

但是，如果在 ESD 事件期間隔離兩端的電壓變得過(guò)高，則分流穩(wěn)壓器可能會(huì)損壞。隔離中最薄弱的地方通常是光隔離器引線。

一旦光隔離器間隙被破壞，最簡(jiǎn)單的 ESD 放電路徑將通過(guò)分流穩(wěn)壓器，如圖 2 中的紅線所示。

圖 2：紅線是 ESD 路徑，電弧穿過(guò)光隔離器引線

將電阻器 R1 從光隔離器的陽(yáng)極移到陰極側(cè)將在隔離破壞期間保護(hù)分流器。移動(dòng)電阻器對(duì)性能或穩(wěn)定性沒(méi)有影響。它之所以有效，是因?yàn)楣飧綦x器缺口現(xiàn)在更喜歡將輸出電容器作為接地路徑。圖 3 中的紅線顯示了新的 ESD 路徑。

圖 3：紅線是新的 ESD 路徑，電弧穿過(guò)光隔離器引線

現(xiàn)在分流穩(wěn)壓器不再位于主要 ESD 路徑中，它將繼續(xù)存在。電容器現(xiàn)在吸收電流，但它所承受的 ESD 能量比并聯(lián)穩(wěn)壓器所能承受的要高得多。根據(jù)光隔離器上的哪些引腳通過(guò)電弧，PWM控制器仍然存在重大危險(xiǎn)，光隔離器本身也存在一些危險(xiǎn)。

另一種危險(xiǎn)可能發(fā)生在空間受限的設(shè)計(jì)中。如果分流器或其節(jié)點(diǎn)走線距離隔離（熱接地）走線太近，則可能會(huì)直接在分流器或其電路跡線上產(chǎn)生電弧，如圖 4 所示。在這種情況下，移動(dòng)電阻器 R1不會(huì)保護(hù)分流器。此處的解決方案是旋轉(zhuǎn)分流器，使陽(yáng)極（地）成為離隔離間隙另一側(cè)走線最近的節(jié)點(diǎn)。

圖 4：布局很重要。紅線代表電弧。

為了提供額外的保護(hù)，我們可以添加一個(gè)有意的火花隙，以導(dǎo)致 ESD 事件從一側(cè)的接地到另一側(cè)的接地產(chǎn)生電弧?；鸹ㄏ秾⑿枰蠓档蛽舸?，以確保電弧不會(huì)選擇另一個(gè)交叉位置。從圖 5 可以清楚地看出，跨越火花隙的電弧不會(huì)對(duì)組件造成壓力。 

圖 5：火花間隙保護(hù)元件；紅線代表電弧

如我們所見(jiàn)，簡(jiǎn)單的更改可以大大提高 ESD 性能 - 正如所承諾的，這些更改是免費(fèi)的。我們可以將本博客中討論的反饋安全電路應(yīng)用于所有共陽(yáng)極可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器，包括 TI 的ATL431 / 2、TL431 / 2和TLVH431。