數(shù)字隔離誤差放大器應(yīng)用電路詳解

本文介紹數(shù)字隔離器誤差放大器，它可改進(jìn)初級(jí)端控制架構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)和工作溫度范圍。傳統(tǒng)的初級(jí)端控制器應(yīng)用是利用光耦合器提供反饋回路隔離，利用分流調(diào)節(jié)器提供誤差放大器和基準(zhǔn)電壓。雖然光耦合器作為隔離器用于電源中具有成本低廉的優(yōu)勢(shì)，但它會(huì)將最大環(huán)路帶寬限制在50 kHz，而且實(shí)際帶寬會(huì)低得多?？焖倏煽康臄?shù)字隔離器電路在單封裝內(nèi)集成隔離式誤差放大器和精密基準(zhǔn)電壓源功能，使用該電路可實(shí)現(xiàn)極低溫漂和極高帶寬的精密隔離式誤差放大器。隔離式誤差放大器能實(shí)現(xiàn)250 kHz以上的環(huán)路帶寬，使得以更高開關(guān)速度工作的隔離式初級(jí)電源設(shè)計(jì)成為可能。借助正確的電源拓?fù)?，更高的開關(guān)速度可支持在更為緊湊的電源中使用更小的輸出濾波器電感和電容。

我們首先將討論一個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌驗(yàn)榫驮骷?shù)目而言，它是最簡(jiǎn)單的電路。反激式電路使用最少的開關(guān);本例中，僅在初級(jí)端使用了一個(gè)開關(guān)，并在次級(jí)端使用了一個(gè)整流二極管。簡(jiǎn)單反激式電路通常用于輸出功率相對(duì)較低的應(yīng)用中，但它確實(shí)具有高輸出紋波電流和低交越頻率，因?yàn)榇嬖谟野肫矫?(RHP)零點(diǎn)。結(jié)果，反激式電路需要具備較大輸出紋波電流額定值的大輸出電容。圖1顯示采用光耦合器的方式，分流調(diào)節(jié)器在其中用作隔離式輸出電壓Vo的反饋電壓誤差放大器。分流調(diào)節(jié)器用作精確標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可提供精度典型值為2%的基準(zhǔn)電壓。輸出電壓經(jīng)過分壓，然后由內(nèi)部誤差放大器將其與分流調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸出至光耦合器的LED電路。光耦合器LED由輸出電壓和串聯(lián)電阻偏置，所需的電流量根據(jù)光耦合器電流傳輸(CTR)特性確定。

圖1. 帶光耦合器和分流調(diào)節(jié)器的反激式調(diào)節(jié)器框圖

CTR為晶體管輸出電流和LED輸入電流之比。CTR的特性不是線性的，因光耦合器而異。如圖2所示，光耦合器CTR值會(huì)在整個(gè)工作壽命內(nèi)變化，對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性提出挑戰(zhàn)。今天設(shè)計(jì)并測(cè)試的光耦合器其初始CTR通常具有2比1的不確定性，但長(zhǎng)期工作在高功率和高密度電源的高溫環(huán)境下，幾年以后 CTR將下降40%。將光耦合器用作線性器件時(shí)，它具有相對(duì)較慢的傳輸特性(小信號(hào)帶寬約50 kHz)，因此對(duì)電源的環(huán)路響應(yīng)也較慢。對(duì)于反激式拓?fù)涠?，較慢的傳輸特性可能并不存在任何問題，因?yàn)樵撏負(fù)湟筢槍?duì)降低環(huán)路帶寬而對(duì)誤差放大器作出補(bǔ)償，以便輸出穩(wěn)定。問題在于，隨著時(shí)間的推移，光耦合器輸出特性的變化可能會(huì)迫使設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步降低環(huán)路響應(yīng)，以確保環(huán)路的穩(wěn)定性。環(huán)路響應(yīng)較慢的缺點(diǎn)在于這樣做會(huì)使瞬態(tài)響應(yīng)性能下降，且負(fù)載瞬態(tài)之后的輸出電壓需更長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)。增加一個(gè)更大的輸出電容有助于減少輸出電壓的下降，但會(huì)增加輸出響應(yīng)時(shí)間。這樣做會(huì)導(dǎo)致電源設(shè)計(jì)更復(fù)雜且更為昂貴;而尺寸更小、成本更低的解決方案是可以實(shí)現(xiàn)的。

圖2. 光耦合器CTR下降

前文說明了光耦合器作為線性隔離器使用時(shí)在工作穩(wěn)定性方面的困難;了解之后，便能檢查隔離式誤差放大器隨時(shí)間和極端溫度變化提供穩(wěn)定可靠性能的能力。如圖3所示，現(xiàn)以寬帶運(yùn)算放大器和1.225 V基準(zhǔn)電壓源部分代替分流調(diào)節(jié)器和VREF功能，并以基于數(shù)字隔離器技術(shù)的快速線性隔離器代替光耦合器。器件右側(cè)的運(yùn)算放大器具有同相引腳+IN(連接至內(nèi)部1.225 V基準(zhǔn)電壓源)和反相引腳-IN，可用于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出的反饋電壓連接(使用分壓器實(shí)現(xiàn)連接)。COMP引腳為運(yùn)算放大器輸出，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中可連接電阻和電容元件。COMP引腳從內(nèi)部驅(qū)動(dòng)發(fā)送器模塊，將運(yùn)算放大器輸出電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制脈沖輸出，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)字隔離變壓器。在隔離式誤差放大器左側(cè)，變壓器輸出信號(hào)解碼后轉(zhuǎn)換為電壓，驅(qū)動(dòng)放大器模塊。放大器模塊產(chǎn)生EAOUT引腳上的誤差放大器輸出，驅(qū)動(dòng)DC-DC電路中PWM控制器的輸入。

圖3. 隔離式誤差放大器代替光耦合器和分流調(diào)節(jié)器

這款最新的隔離式誤差放大器的優(yōu)勢(shì)包括：基準(zhǔn)電壓源和運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為溫度范圍內(nèi)具有最小的失調(diào)和增益誤差漂移。1.225 V基準(zhǔn)電壓源電路在溫度范圍內(nèi)的精度調(diào)整為1%，比分流調(diào)節(jié)器更精確，且漂移量更低。如圖4所示，隔離式誤差放大器的典型輸出特性在-40℃至+125℃ 范圍內(nèi)的變化量?jī)H為0.2%，實(shí)現(xiàn)了高度精確的DC-DC輸出。為了保持穩(wěn)定的輸出特性，運(yùn)算放大器的COMP輸出經(jīng)脈沖編碼，可越過隔離柵發(fā)送數(shù)字脈沖，然后由數(shù)字隔離變壓器模塊解碼回模擬信號(hào)，完全解決了使用光耦合器進(jìn)行隔離時(shí)CTR值發(fā)生改變的問題。

圖4. 隔離式誤差放大器輸出精度與溫度的關(guān)系

若應(yīng)用要求采用反激式電路以提供超乎尋常的快速瞬態(tài)響應(yīng)，則可以利用推挽式拓?fù)渑浜细綦x式誤差放大器實(shí)現(xiàn)。推挽式電路如圖5所示。圖中，兩個(gè)MOSFET交替開關(guān)，對(duì)變壓器的兩個(gè)初級(jí)繞組充電，然后兩個(gè)帶二極管的次級(jí)繞組導(dǎo)通，并對(duì)輸出濾波器電感和電容充電。推挽拓?fù)浣?jīng)補(bǔ)償后極為穩(wěn)定，并具有快得多的開關(guān)頻率和更快的環(huán)路響應(yīng)。與反激式電路相同的隔離式DC-DC設(shè)計(jì)示例(5V輸入到5V輸出，1.0 A輸出電流)現(xiàn)用于采用ADuM3190隔離式誤差放大器的推挽式電路中。相比較慢的200 kHz典型反激式設(shè)計(jì)，推挽式設(shè)計(jì)具

有1.0 MHz開關(guān)頻率;因此，與一款光耦合器相比，帶寬更高的ADuM3190顯然是更佳選擇。輸出濾波器電容從200 μF(典型反激式)下降至僅27 μF(推挽式)，并增加了一個(gè)小型47 μH電感。圖6中的波形顯示100 mA至900 mA負(fù)載階躍條件下，集成隔離式誤差放大器的推挽式電路響應(yīng)時(shí)間僅為100 μs，相比典型反激式拓?fù)涞?00 μs，速度提升了4倍。推挽式電路輸出電壓的改變幅度僅為200 mV，相比反激式電路的400 mV，其改變幅度減少了一半。使用速度更快的推挽式拓?fù)浜蛶捀叩母綦x式誤差放大器，可獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)高性能以及更小的輸出濾波器尺寸。

圖5. 集成數(shù)字隔離器誤差放大器的推挽式轉(zhuǎn)換器框圖

圖6. 集成數(shù)字隔離器誤差放大器的推挽式轉(zhuǎn)換器(100 mA至900 mA負(fù)載階躍)

使用400 kHz高帶寬隔離式誤差放大器便有可能實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)，提供更快的環(huán)路響應(yīng)。次級(jí)端誤差放大器具有10 MHz的高增益帶寬積，比分流調(diào)節(jié)器速度快大約5倍，可在隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率(高達(dá)1 MHz)。與在整個(gè)壽命周期和溫度范圍內(nèi)具有不確定電流傳輸比的光耦合器解決方案不同，隔離式誤差放大器的傳遞函數(shù)不隨壽命周期而改變，在-40℃ 至+125℃的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。有了這些性能上的改進(jìn)，對(duì)于希望改善瞬態(tài)響應(yīng)和工作溫度范圍的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器電源設(shè)計(jì)師而言，隔離式誤差放大器將成為首選解決方案。