兩個(gè)簡單的隔離電源選項(xiàng)，功率為 8 W 或更低

各種工業(yè)和汽車系統(tǒng)都使用隔離式偏置電源。大多數(shù)現(xiàn)有方法使用反激式或推挽式轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)隔離偏置電源需要大量的設(shè)計(jì)工作，并且依賴于低漏感隔離變壓器。

在本電源技巧中，我想介紹兩種方法，它們既可以降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，又可以降低隔離偏置電源中的噪聲耦合。一種方法適用于多個(gè)隔離輸出且總輸出功率高達(dá) 8 W，它使用電感器-電感器-電容器 (LLC) 拓?fù)湟约鞍霕蝌?qū)動(dòng)器(例如 TI 的UCC25800-Q1)。第二種方法集成了隔離變壓器，適用于高達(dá) 1.5 W 的功率和一個(gè)隔離輸出，并使用單個(gè)集成電路 (IC)，例如 TI 的UCC14240-Q1。該器件包含電源和反饋隔離，僅需要濾波電容器和電阻分壓器即可完成設(shè)計(jì)。

隔離電源的復(fù)雜性，尤其是在低功率水平下，會(huì)帶來巨大的成本、尺寸和設(shè)計(jì)資源負(fù)擔(dān)。最常見的低功耗拓?fù)涫欠醇な睫D(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器使用光耦合器將次級(jí)側(cè)的輸出電壓反饋至初級(jí)側(cè)的控制器IC。由于長期可靠性問題，低成本光耦合器不適用于要求苛刻的汽車和工業(yè)環(huán)境。即使采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，也只有其中一個(gè)反激輸出真正得到完全調(diào)節(jié)。具有初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)功能的反激式轉(zhuǎn)換器可消除任何光耦合器要求，例如 TI 的LM5180-Q1。然而，對(duì)低泄漏變壓器的需求及其噪聲和隔離挑戰(zhàn)仍然存在。

對(duì)于大多數(shù)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，低泄漏變壓器是跨隔離柵高效供電的關(guān)鍵。減少變壓器漏感的方法，例如緊密耦合繞組和交錯(cuò)，通常會(huì)增加初級(jí)到次級(jí)的電容。該電容會(huì)傳播來自隔離轉(zhuǎn)換器開關(guān)本身以及隔離輸出所連接的電路(例如牽引逆變器或車載充電器中的高側(cè)開關(guān))的噪聲。這些開關(guān)可以以每納秒超過 100 V 的速度上下擺動(dòng)。此外，需要高(幾千伏)增強(qiáng)隔離和低漏感的變壓器存在巨大的成本和尺寸負(fù)擔(dān)。

我在這里的重點(diǎn)是大約 8 W 或更低的高度隔離電源需求，其中可用的初級(jí)側(cè)電源在 12 V DC至 24 V DC范圍內(nèi)。當(dāng)連接到交流電源或 400V 和 800V 電池的電路中需要電源時(shí)，需要高隔離額定值(3kV 均方根 [RMS] 或更高)來滿足安全隔離要求。應(yīng)用示例包括電動(dòng)汽車和牽引逆變器的車載充電器中的隔離偏置電源，這些電源通常需要大約 +15 V 來快速開啟開關(guān)，大約需要 –5 V 來快速關(guān)斷開關(guān)，其回路連接到發(fā)射極或電源大功率開關(guān)。

一個(gè) IC 可實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出且功率高達(dá) 8 W：UCC25800-Q1

LLC 拓?fù)錈o需反饋即可實(shí)現(xiàn)隔離輸出電壓的良好負(fù)載調(diào)節(jié)。這種拓?fù)鋵?shí)際上利用變壓器的漏感來提供軟開關(guān)，并大大降低主開關(guān)管的開關(guān)損耗。事實(shí)上，漏感對(duì)輸出調(diào)節(jié)的影響可以通過耦合電容有效地調(diào)節(jié)，從而允許使用高隔離變壓器，其中初級(jí)和次級(jí)位于單獨(dú)的線圈架上。這導(dǎo)致非常低的耦合電容，以實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲和高增強(qiáng)型(數(shù)千伏)隔離，以實(shí)現(xiàn)安全目的。軟開關(guān)與耦合電容器對(duì)漏感的調(diào)諧相結(jié)合，使漏感從敵人變成了朋友。

這種方法確實(shí)需要穩(wěn)定的輸入直流電壓來供電，以避免二次側(cè)調(diào)節(jié)的需要。使用雙開關(guān)半橋(用于此處所需的低功率水平)，將輸入電壓二分之一的方波施加到變壓器初級(jí)。對(duì)于汽車應(yīng)用，通常有 12 V 或 24 V 的穩(wěn)壓直流電壓用于其他目的。如果需要預(yù)穩(wěn)壓器，一個(gè)簡單的單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器將提供穩(wěn)壓的 15V 或 24V 輸入電源。這種預(yù)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)通常遠(yuǎn)小于抑制低泄漏反激變壓器引起的系統(tǒng)噪聲的挑戰(zhàn)。

已發(fā)布的 UCC25800-Q1 設(shè)計(jì)示例包括“用于牽引逆變器應(yīng)用的預(yù)調(diào)節(jié)隔離式驅(qū)動(dòng)器偏置電源參考設(shè)計(jì)”：四個(gè)輸出，30V 時(shí)總功率為 6 W(如圖 1和圖 2所示)以及“隔離式 IGBT 和適用于牽引逆變器應(yīng)用的 SiC 驅(qū)動(dòng)器偏置電源參考設(shè)計(jì)”，+16V/–5V，最大關(guān)閉電壓為 24V，輸出功率為 6.6W。絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)中使用的變壓器的初級(jí)到初級(jí)的典型值僅為 1.3pF。次級(jí)電容，而類似功率的反激變壓器的典型值為 20pF。電容減少了 10 倍以上，意味著系統(tǒng)中的噪聲傳播至少減少了 20 dB。唯一的初級(jí)和次級(jí)接口是變壓器。

圖 1來自預(yù)穩(wěn)壓參考設(shè)計(jì)原理圖 — 隔離式四輸出轉(zhuǎn)換器。

圖 2預(yù)穩(wěn)壓參考設(shè)計(jì)組裝板，包括來自 6 V IN 的升壓電路。

對(duì)于最大負(fù)載的 10% 至 100% 的負(fù)載，四個(gè)輸出的輸出調(diào)節(jié)范圍為 16.25 V 至 17.27 V。

當(dāng)您需要低于 2 W 的隔離電源時(shí)，一種更簡單的方法：UCC14240-Q1

一種更簡單的方法是使用獨(dú)立的隔離轉(zhuǎn)換器 IC，它集成了變壓器和次級(jí)到初級(jí)的反饋，僅需要輸入/輸出電容器和分壓器來設(shè)置正輸出和負(fù)輸出。功率級(jí)包括初級(jí)側(cè)全橋、初級(jí)到次級(jí)電容約為 3.5 pF 的極低隔離變壓器，以最大程度地減少系統(tǒng)噪聲耦合，以及全橋輸出整流器。選擇 13 MHz 的開關(guān)頻率既可以實(shí)現(xiàn)低初級(jí)到次級(jí)電容，又可以很好地消除其自身的開關(guān)噪聲，使其遠(yuǎn)離汽車應(yīng)用中任何需要關(guān)注的頻段。 IC 的內(nèi)部反饋允許輸入電壓與標(biāo)稱電壓的變化超過 ±10%，但仍能提供良好調(diào)節(jié)的正電壓和負(fù)電壓，誤差在標(biāo)稱輸出的 1.3% 以內(nèi)。該 IC 表明拓?fù)鋸?fù)雜性(完全包含在 IC 內(nèi)部)并不是設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

UCC14240-Q1 采用 21 V IN至 27 V IN工作電壓，面向牽引逆變器、車載充電器和電機(jī)控制中的 IGBT 和 SiC 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，典型正電壓為 +15 V打開器件，并使用 –5V 的典型負(fù)電壓關(guān)閉器件。不過，在 18V 至 25V 的總電壓范圍內(nèi)，也允許使用其他正負(fù)電壓組合。

圖 3、圖 4和圖 5顯示了一個(gè)獨(dú)立的高隔離示例，其中計(jì)劃采用 3,000V RMS隔離，作為“ SPI 可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器和偏置電源參考設(shè)計(jì)”的一部分。 U1 是實(shí)際的 DC/DC 隔離電源，U3 是智能隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，U2 以及 Q1 和 L1 是汽車電池直流轉(zhuǎn)換器。請(qǐng)注意 8 毫米的初級(jí)到次級(jí)隔離谷。

圖 3來自汽車“具有集成變壓器的 SPI 可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器和偏置電源參考設(shè)計(jì)”原理圖 — 隔離式 +15V/–5V 轉(zhuǎn)換器。

圖 4汽車 SPI 可編程參考設(shè)計(jì)組裝板。

這兩種方法使得為高功率逆變器和電池充電器中的柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源不再是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而且還可以降低系統(tǒng)級(jí)的射頻噪聲。第一種方法可實(shí)現(xiàn)由單個(gè) IC 控制的多個(gè)隔離輸出。采用第二種方法，僅具有濾波電容器和分壓電阻器的一個(gè) IC 提供了完整的隔離電源解決方案。