隔離式dc/dc轉(zhuǎn)換器的反饋電壓調(diào)節(jié)方法

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器是眾多應(yīng)用所必需的組件，這些應(yīng)用包括了電能計量、PLC、IGBT驅(qū)動器電源、工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化等。此類轉(zhuǎn)換器常用于提供電流隔離、改善安全性及提高抗噪聲能力。而且，它們還可用來生成包括雙極性電源軌在內(nèi)的多個輸出電壓軌。

按照輸出電壓調(diào)節(jié)準確度，隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器常常分為三類，即：已調(diào)節(jié)型、未調(diào)節(jié)型和半調(diào)節(jié)型。本文將討論各種不同的調(diào)節(jié)方案和對應(yīng)的拓撲。對影響調(diào)節(jié)準確度的因素進行了詳細地檢查。這將形成一些可在實際設(shè)計中改善調(diào)節(jié)準確度的設(shè)計小貼士。此外，還闡述了每種方案的優(yōu)缺點，旨在為選擇針對某種特定應(yīng)用需求的合適解決方案提供指導(dǎo)。
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋與控制
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器通常采用一個變壓器，以實現(xiàn)輸出和功率級輸入的電隔離(圖1)。

在閉環(huán)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中(圖2)，反饋電路負責檢測輸出電壓，并通過把檢測電壓與其目標值(反饋電壓基準)進行比較，以生成一個誤差。該誤差隨后被用于調(diào)整控制變量(在本例中為占空比)以補償輸出偏差。另外，初級側(cè)與次級側(cè)上的控制電路之間的電流隔離也是必不可少的。此類隔離可通過采用一個變壓器或光耦合器來實現(xiàn)。假設(shè)基準電壓VREF在整個溫度范圍內(nèi)保持精準和穩(wěn)定，那么調(diào)節(jié)準確度將主要取決于輸出電壓檢測準確度(換句話說就是，VSENSE與VOUT相似度的高低)。

未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器
未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器(也被稱為"開環(huán)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器")在那些不需要精準輸出電壓的應(yīng)用中得到了廣泛的使用。一種典型的應(yīng)用是具有 50% 固定占空比的推挽式轉(zhuǎn)換器(圖3)?？刂齐娐穬H包括一個振蕩器和兩個柵極驅(qū)動器，其可產(chǎn)生兩個具有50%固定占空比的互補柵極信號，用以驅(qū)動Q1和Q2。選擇適當?shù)淖儔浩髟褦?shù)比以提供所需的輸出電壓。既不需要反饋電路也不需要信號隔離器，從而縮減了成本和解決方案尺寸。

推挽式轉(zhuǎn)換器實質(zhì)上是一種正向?qū)С鍪酵負?forward-derived topology)。當其以50%的固定占空比運作時，輸出電壓調(diào)節(jié)可以使用圖4中的等效電路來詳細闡述。R是次級變壓器繞組和走線的等效電阻。輸出電壓可由式(1)來表達：

式中的VR是電阻器R兩端的電壓降，VF是二極管正向電壓降，這兩者均與負載電流有關(guān)。而且，VR和VF還會隨著環(huán)境溫度而變化，VOUT亦然。如式(1)所示，除了負載電流和環(huán)境溫度之外，VIN也是影響VOUT的一個因素。這些因素根本沒有進行補償，因而有可能導(dǎo)致顯著的輸出電壓變化。這類轉(zhuǎn)換器之所以被為"未調(diào)節(jié)型"，原因即在于此。

與推挽式轉(zhuǎn)換器相似，未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的其他常用拓撲是半橋和全橋(H橋)式轉(zhuǎn)換器。由于成本低且電路十分簡單，因此這些未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器常被用作DC變壓器，以提供電流隔離。低壓降(LDO)穩(wěn)壓器通常用作后置穩(wěn)壓器，以提供低噪聲和低紋波電源。
已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器
在未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓、負載電流和環(huán)境溫度均會影響輸出電壓準確度。在那些精準輸出電壓和嚴格調(diào)節(jié)至關(guān)緊要的應(yīng)用中，這是無法接受的，因而應(yīng)采用已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。我們以圖5所示的反激式轉(zhuǎn)換器為例來詳細闡述如何實現(xiàn)嚴格的調(diào)節(jié)。與未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器(圖3)相比，已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器具有一個額外的反饋電路。另外，還采用了一個光耦合器以把控制信號從次級側(cè)傳輸至初級側(cè)，同時實現(xiàn)電流隔離。
采用光耦合器的優(yōu)勢在于可以把反饋電路布設(shè)在次級側(cè)。這樣，就能夠直接感測和調(diào)節(jié)輸出電壓(即 VSENSE=VOUT)，這反過來又補償了輸入電壓、負載電流和溫度對輸出電壓調(diào)節(jié)的所有影響。因此，通?？梢灶A(yù)期在整個工作輸入電壓、負載電流和溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)1%至3%的嚴格調(diào)節(jié)準確度。
使用光耦合器也有幾個缺點。首先，光耦合器在控制環(huán)路中引入了一個額外的極點，這將降低轉(zhuǎn)換器帶寬。其次，光耦合器具有很大的"逐件變異"(unit-to-unit variation)以及電流傳輸比(CTR)中的溫度和壽命劣化，因而使得控制環(huán)路設(shè)計受到約束。

半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器
未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器雖然不需要任何光耦合器，但其無法提供任何的調(diào)節(jié)。與之相反，已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供嚴格的輸出電壓調(diào)節(jié)，然而卻需要使用一個光耦合器。在許多應(yīng)用中，客戶可能不希望采用光耦合器，但要求對輸出電壓實施一定程度的調(diào)節(jié)。所謂"半調(diào)節(jié)型"隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器將是合適的解決方案。
從輸出電壓調(diào)節(jié)的角度來看，半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器介乎于未調(diào)節(jié)型和已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器之間。與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器相似，半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也具有一個反饋電路。然而，它并不直接感測和調(diào)節(jié)輸出。取而代之的是，它只檢測一個與次級側(cè)上的輸出電壓相似、但通常參考于初級輸入電壓的電壓。這些方法也許不能實現(xiàn)與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器準確度相同的輸出電壓，但其免除了光耦合器，同時獲得了相當好的輸出電壓調(diào)節(jié)性能。在本文中討論的三個例子是Fly-Buck轉(zhuǎn)換器、具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器和初級側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)反激式轉(zhuǎn)換器。
1. Fly-Buck轉(zhuǎn)換器
Fly-Buck 轉(zhuǎn)換器基本上就是一個同步降壓型轉(zhuǎn)換器，它具有一個耦合至其電感器的額外繞組，用以生成一個隔離式輸出(VOUT)。除了次級側(cè)上的隔離式輸出之外，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器還在初級側(cè)上提供了一個已調(diào)節(jié)輸出(VP)。初級側(cè)輸出的調(diào)節(jié)方式與獨立型同步降壓轉(zhuǎn)換器相同，如式(2)：
式中的D為圖6中的降壓開關(guān)Q1的占空比。當?shù)蛪簜?cè)同步開關(guān)Q2導(dǎo)通時VP反射至次級側(cè)并被整流為VOUT。等效電路示于圖7。VOUT可利用式(3)來計算：

與式(1)和圖4所說明的未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器相似，F(xiàn)ly-Buck的隔離式輸出是VR和VF(它們均取決于負載電流和溫度)的一個函數(shù)。然而，VP是一個由反饋電路調(diào)節(jié)的恒定電壓，這就使得VP(因而也包括VOUT)與VIN無關(guān)。對于Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的隔離式輸出，VIN的影響得到了補償，但是負載電流和溫度的影響則并未予以補償。于是，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器歸類于半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。
當Q1導(dǎo)通時，輸出電容器COUT放電，提供負載電流。當Q2導(dǎo)通時，輸出電容器電荷得到補充以保持調(diào)節(jié)作用。實際上，變壓器或多或少會有一些漏電感，其決定了次級繞組中用于對輸出電容器進行充電的電流的斜坡上升速率。漏電感和占空比會影響輸出電壓調(diào)節(jié)。應(yīng)盡可能地減小漏電感并謹慎地選擇最大的工作占空比，以減輕它們對于調(diào)節(jié)的影響。憑借正確的設(shè)計，大概可以實現(xiàn)5%至10%(具體數(shù)值取決于負載電流范圍)的輸出電壓調(diào)節(jié)。
2. 具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器
反激式轉(zhuǎn)換器能夠很容易地生成多個輸出，而不必像其他DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲那樣常常需要增設(shè)額外的輸出濾波電感器。在多輸出配置中(圖8)，只有一個輸出Vaux是直接調(diào)節(jié)的，而其他的VOUT則依靠交叉調(diào)節(jié)。一般地，通過使已調(diào)節(jié)輸出Vaux參考于初級側(cè)上的輸入VIN，就能免除圖5所示的已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器的光耦合器。次級側(cè)上的隔離式輸出VOUT可由式(4)給出：

式中的VRs和VRa分別是次級繞組和輔助繞組的等效電阻電壓降。VRs、VRa、VFD1和VFD2均為其自身電流的函數(shù)。在次級繞組和輔助繞組中流動的電流是不均勻的，因而在VOUT和Vaux之間的負載調(diào)節(jié)中導(dǎo)致失配。結(jié)果，VOUT的負載調(diào)節(jié)就沒有Vaux那么好。隔離式輸出與VIN無關(guān)，這表明可獲得優(yōu)良的線路輸入電壓調(diào)節(jié)性能。由于交叉調(diào)節(jié)輸出取決于負載電流范圍，故而通?？梢詫崿F(xiàn)5%至10%的輸出電壓調(diào)節(jié)。
3. PSR反激式轉(zhuǎn)換器
雖然線路輸入電壓調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，但是Fly-Buck和依賴于交叉調(diào)節(jié)的反激式轉(zhuǎn)換器均無法補償負載電流對輸出電壓調(diào)節(jié)的影響。因此，輸出電壓準確度取決于負載電流。PSR反激式轉(zhuǎn)換器(圖9)旨在通過更加準確地檢測輸出電壓來最大限度地抑制這種依存性。

通過運作于不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)或邊界導(dǎo)通模式(BCM)，次級電流在每個開關(guān)周期中恢復(fù)至零。圖10示出了DCM中的輔助繞組電壓分布。PSR反激式轉(zhuǎn)換器通過一個專用的鑒頻器和采樣器電路在拐點處(此時的次級電流近似為零)檢測輔助繞組電壓VSENSE。在采樣點上，由于次級電流為零，因此在繞組和走線兩端沒有電阻壓降。而且，采樣點處的二極管正向壓降變成一個常數(shù)VOFFSET，這與實際負載電流無關(guān)。于是，檢測電壓變?yōu)椋?/p>

正因為如此，無論負載電流怎樣，VSENSE都很好地代表了輸出電壓，僅具有一個可通過調(diào)整電壓反饋電阻分壓器予以抵消的固定電壓。這樣，負載電流對于輸出電壓調(diào)節(jié)的影響便得到了最大限度的減弱，并可預(yù)期實現(xiàn)上佳的負載調(diào)節(jié)。由于PSR反激式轉(zhuǎn)換器對線路輸入電壓和負載變動均實施了補償，所以能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于5%的總調(diào)節(jié)性能。
結(jié)論
為了實現(xiàn)電流隔離和安全性并改善抗噪聲能力，在隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中對次級側(cè)和初級側(cè)進行了電隔離。功率級和控制電路都運用了這種隔離。輸出電壓的檢測和調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定了輸出電壓調(diào)節(jié)準確度。未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器擁有最低的成本和最簡單的電路，但沒有調(diào)節(jié)功能。已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可在整個線路輸入電壓、負載和溫度范圍內(nèi)提供嚴格的調(diào)節(jié)，但需要使用一個光耦合器或數(shù)字隔離器IC。半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器則在輸出電壓調(diào)節(jié)和電路復(fù)雜性之間進行了折衷。最合適的解決方案應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求來選擇。