關(guān)于用Fly-Buck轉(zhuǎn)換器加快隔離式電源軌的方案設(shè)計(jì)

作者：德州儀器 (TI) 系統(tǒng)和應(yīng)用工程師Vijay Choudhary

導(dǎo)讀：Fly-Buck及耦合電感器降壓轉(zhuǎn)換器以更低的成本、更小的尺寸，以及更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了隔離式和雙極電源軌。

隔離式偏置電源軌在測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、過(guò)程控制、電信系統(tǒng)、樓宇基礎(chǔ)設(shè)施、以及工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中很常見(jiàn)。傳統(tǒng)上，隔離式電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)冗長(zhǎng)而又乏味的過(guò)程，因?yàn)槠渲猩婕碍h(huán)路補(bǔ)償、光耦合器、額外的繞組、和/或者初級(jí)側(cè)電源軌。

與低功率級(jí)相比，其中涉及的工作量、復(fù)雜度、解決方案尺寸、以及成本都過(guò)高。

這份白皮書(shū)將為您介紹：Fly-Buck轉(zhuǎn)換器可通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易使用，成本劃算的方式生成多個(gè)隔離式電源軌。本文給出了不同應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)際示例，以顯示基于Fly-Buck的方法在功率高達(dá)15W的低功率隔離式設(shè)計(jì)方面的有效性。

這些示例有助于設(shè)計(jì)人員找到那些與特定偏置功率要求相近似的解決方案。文中引用的設(shè)計(jì)示例和資源能夠幫助設(shè)計(jì)人員更有信心的在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)并運(yùn)行隔離式電源解決方案。

現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的隔離式電源軌

現(xiàn)代電子系統(tǒng)包含大量的分布式電源軌；這些電源軌為多種數(shù)字和模擬電路供電。很多系統(tǒng)或子系統(tǒng)，特別是那些需要人工干預(yù)的系統(tǒng)，為了保證它們的安全性，需要將它們與主電源隔離開(kāi)來(lái)。這些系統(tǒng)包括工業(yè)過(guò)程控制、樓宇自動(dòng)化、電信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、以及醫(yī)療設(shè)備，以及其他一些系統(tǒng)。圖1至6給出了幾個(gè)應(yīng)用了隔離式電源軌的系統(tǒng)示例。Fly-Buck轉(zhuǎn)換器方法是更簡(jiǎn)單的方法，在這些系統(tǒng)和其它相似應(yīng)用中生成偏置電源軌。

一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域就是工廠自動(dòng)化，其中的一個(gè)24V DC電源軌或者一個(gè)定制的以太網(wǎng)供電 (PoE) 組成了系統(tǒng)分布式電源骨干的一部分（圖1）。分布于整個(gè)系統(tǒng)中的控制和傳感器塊需要由偏置電源供電；而這些偏置電源要與主電源總線隔離開(kāi)來(lái)。參考設(shè)計(jì)1中包含一個(gè)為可編程邏輯控制器 (PLC) I/O模塊供電的完整設(shè)計(jì)。

圖1.工業(yè)應(yīng)用中的隔離式電源軌

另外一個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域是隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器或電機(jī)控制中的柵極驅(qū)動(dòng)偏置電源。MOSFET、IGBT，或基于碳化硅 (SiC) 的功率級(jí)需要隔離式電源軌作為驅(qū)動(dòng)器，以及控制電路供電；而這些驅(qū)動(dòng)器或控制電路也許與電源不在同一側(cè)，而是位于隔離邊界的另一側(cè)。高側(cè)驅(qū)動(dòng)器還需要浮動(dòng)偏置電源軌；這些電源軌用高達(dá)數(shù)百伏電壓與低側(cè)電源軌分離開(kāi)來(lái)（圖2）。參考設(shè)計(jì)2是一個(gè)完整的，針對(duì)3相電機(jī)控制系統(tǒng)的Fly-Buck偏置電源設(shè)計(jì)。

圖2. IBGT/SiC/MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)偏置電源軌

圖3顯示的是具有初級(jí)和次級(jí)驅(qū)動(dòng)器偏置電源的電信DC/DC轉(zhuǎn)換器。這個(gè)次級(jí)側(cè)控制器電源源自一個(gè)單個(gè)Fly-Buck轉(zhuǎn)換器。參考設(shè)計(jì)3是針對(duì)這個(gè)偏置電源的完整參考設(shè)計(jì)。

圖3.電信DC/DC轉(zhuǎn)換器偏置電源

醫(yī)療設(shè)備通常需要隔離功能，以保證病患和操作人員的人身安全。隔離式轉(zhuǎn)換器使用的另外一個(gè)領(lǐng)域就是為很多高性能運(yùn)算放大器 (op amp) 和其它放大器類(lèi)型生成雙極電源。隔離式輸出經(jīng)常被用于生成其中一個(gè)±電源軌（圖4）。

圖4.用于儀表的雙極 (±) 電源軌

另外，變壓器隔離還常用于降壓-升壓應(yīng)用或電壓穩(wěn)定器。在這些應(yīng)用中，輸入電壓在標(biāo)稱電源軌電壓的上下大幅波動(dòng)。使用變壓器可以簡(jiǎn)化穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，其原因在于變壓器被用來(lái)升壓，而開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器可被用來(lái)調(diào)節(jié)電壓。相對(duì)于使用非隔離式轉(zhuǎn)換器，使用變壓器的拓?fù)淇筛咨傻凸β?、降?升壓轉(zhuǎn)換器（圖5）。

圖5.低功率降壓-升壓轉(zhuǎn)換器/電源軌穩(wěn)定器

圖6顯示的是一個(gè)具有-48V電源軌的電信系統(tǒng)。其中需要一個(gè)5V/500mA電源軌；此電源軌并不是以系統(tǒng)返回電源軌 (-48V) 為基準(zhǔn)，而是相對(duì)于接地。一個(gè)隔離式電源能夠輕易地從-48V輸入電源軌中生成一個(gè)正（或負(fù)）電平位移電源軌。

圖6.電平位移電源軌

創(chuàng)建隔離式電源軌

這一部分將介紹幾個(gè)常用的隔離式電源軌生成方法，以及每個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

生成隔離式電源軌的其中一個(gè)方法就是使用反激式轉(zhuǎn)換器。在10-100W的功率范圍內(nèi)，反激式的確是創(chuàng)建隔離式電源的一種十分劃算的方法。然而，反激式拓?fù)湓O(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，它經(jīng)常需要涉及到與補(bǔ)償設(shè)計(jì)有關(guān)的復(fù)雜設(shè)計(jì)過(guò)程。它還需要針對(duì)電壓穩(wěn)壓的隔離式反饋，而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓需要一個(gè)額外的變壓器繞組或光耦合器。功率級(jí)本身對(duì)于變壓器泄露電感十分敏感。這就需要精細(xì)的緩沖器設(shè)計(jì)，能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓尖峰限定在一個(gè)合理的值。因此，對(duì)于電子系統(tǒng)中常用到的功率相對(duì)較低的電源軌，反激式解決方案通常就顯得過(guò)于復(fù)雜了。簡(jiǎn)言之，對(duì)于低功率偏置電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)（10W或更低），反激式不是一個(gè)合適的拓?fù)洹?/p>

生成隔離式偏置電源軌的另外一個(gè)常見(jiàn)方法就是使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和變壓器電路，比如說(shuō)，一個(gè)具有中央抽頭變壓器的推挽驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)輸入電源經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓，并且功率要求很低時(shí) (1-2W)，這個(gè)開(kāi)環(huán)路方法會(huì)比較有用。對(duì)于多變或者功率級(jí)較高的輸入電源軌來(lái)說(shuō)，變壓器驅(qū)動(dòng)器方法在電路復(fù)雜度和/或性能方面沒(méi)有什么吸引力。

對(duì)于具有主功率級(jí)的系統(tǒng)，可使用主電力轉(zhuǎn)換級(jí)的輔助繞組來(lái)生成輔助偏置電源。這個(gè)過(guò)程已經(jīng)被有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期使用。這樣可以獲得具有成本有效性的解決方案，不過(guò)這一方法也會(huì)使得主功率級(jí)的設(shè)計(jì)因偏置電源的設(shè)計(jì)與主電源設(shè)計(jì)混合在一起而變得復(fù)雜。此外，這個(gè)方法只在為主電源生成偏置電源時(shí)，以及/或者在主電源周?chē)善秒娫磿r(shí)有用。

什么是Fly-BuckTM轉(zhuǎn)換器？

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器是一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器，其中的電感器被耦合電感器或反激式變壓器所取代。次級(jí)輸出電壓 (VOUT2) 由一個(gè)對(duì)次級(jí)繞組進(jìn)行整流的二極管生成。如圖7所示，當(dāng)同步開(kāi)關(guān) (Q2) 接通時(shí)，初級(jí)輸出電容器 (COUT1) 在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)次級(jí)輸出電容器 (COUT2) 充電。

圖7. 一個(gè)Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行

要獲得Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)說(shuō)明和工作原理，請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)4。

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器是一個(gè)初級(jí)側(cè)穩(wěn)壓 (PSR)拓?fù)?。它無(wú)需隔離式輸出感測(cè)，從而避免了對(duì)于額外變壓器繞組或光耦合器的需要。如表格1中所示，由于其中具有一個(gè)包含了集成高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)的65V/100V Fly-Buck系列，使用Fly-Buck進(jìn)行的隔離式偏置電源設(shè)計(jì)往往變得更加簡(jiǎn)單，尺寸也更加小巧。

如果應(yīng)用同時(shí)需要隔離式和非隔離式電源軌，F(xiàn)ly-Buck拓?fù)渚褪且粋€(gè)具有高成本有效性的解決方案?？梢栽诓辉黾宇~外系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的情況下使用Fly-Buck轉(zhuǎn)換器（從本質(zhì)上說(shuō)，它是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器）的初級(jí)輸出。

對(duì)于需要多個(gè)隔離式電源軌的系統(tǒng)，由于可以使用變壓器中的多余繞組來(lái)創(chuàng)建額外輸出，而又不會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生任何影響，F(xiàn)ly-Buck是一個(gè)比較理想的選擇。而對(duì)于多個(gè)隔離式輸出來(lái)說(shuō)，專用隔離式反饋環(huán)路的優(yōu)勢(shì)就會(huì)大打折扣，其原因在于隔離環(huán)路只是改進(jìn)了一個(gè)輸出的穩(wěn)壓。參考文獻(xiàn)1-3內(nèi)有一個(gè)具有3、4、8個(gè)電源軌的完整Fly-Buck解決方案。

Fly-Buck變壓器經(jīng)常使用接近于對(duì)稱的匝數(shù)比。通?？梢允褂迷褦?shù)比為1:1或1:1.5。通常情況下，具有匹配匝數(shù)比的變壓器更加小巧。相對(duì)來(lái)說(shuō)，反激式設(shè)計(jì)的匝數(shù)比往往是十分不匹配的。

正是由于它的這些優(yōu)點(diǎn)和簡(jiǎn)單性，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器的性能往往會(huì)隨著功率級(jí)的增加而下降。由于無(wú)源次級(jí)側(cè)穩(wěn)壓，F(xiàn)ly-Buck只能被應(yīng)用于功率較低的情況下。圖8中顯示的是Fly-Buck解決方案在哪些方面比其它方法更具有吸引力。

圖8.針對(duì)不同功率等級(jí)所建議的隔離式轉(zhuǎn)換器類(lèi)型

影響Fly-Buck穩(wěn)壓的因素

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)閉合環(huán)路控制器來(lái)調(diào)節(jié)初級(jí)輸出電壓 (VOUT1)。次級(jí)輸出 (VOUT2) 由變壓器（磁性）耦合，從初級(jí)輸出上進(jìn)行間接調(diào)節(jié)。次級(jí)輸出穩(wěn)壓是無(wú)源的或者是開(kāi)環(huán)的。以下電路參數(shù)會(huì)對(duì)次級(jí)輸出穩(wěn)壓產(chǎn)生影響：

?繞組泄漏電感
?繞組電阻
?同步開(kāi)關(guān)RDSON

為了實(shí)現(xiàn)更好的次級(jí)輸出 (VOUT2) 穩(wěn)壓，需要選擇一個(gè)低泄漏（更高耦合度）變壓器。1%或者更低的泄露電感是一個(gè)比較合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

Fly-Buck變壓器或耦合電感器

Fly-Buck拓?fù)渲惺褂玫淖儔浩魇且粋€(gè)耦合電感器或是一個(gè)反激式變壓器。它就像降壓轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)電感器一樣儲(chǔ)存能量。正激式、半橋、或全橋拓?fù)渲惺褂玫淖儔浩鞑粌?chǔ)存能量，或者儲(chǔ)存的能量可以忽略不計(jì)，并且不適用于Fly-Buck拓?fù)洹?/p>

設(shè)計(jì)或選擇Fly-Buck磁性元件的最簡(jiǎn)單直接的方法就是將它看作是一個(gè)電感器。通常情況下，（耦合）電感器的選擇是基于電感值、匝數(shù)比、以及飽和電流額定值的，而變壓器的設(shè)計(jì)或選型使用諸如伏秒積、磁通密度、匝數(shù)、磁芯體積，以及很多其它參數(shù)。大多數(shù)工程師更喜歡使用電感和峰值電流額定值等電氣量，而不是磁測(cè)量。將Fly-Buck變壓器視為一個(gè)耦合電感器有助于設(shè)計(jì)人員將注意力放在電路方面。只有在需要定制變壓器時(shí)才需要了解變壓器設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。

很多磁性元件廠商提供Fly-Buck變壓器。參考文獻(xiàn)5內(nèi)有一個(gè)建議變壓器產(chǎn)品型號(hào)列表，以及使用這些產(chǎn)品的參考設(shè)計(jì)。此外，還有很多現(xiàn)成在售的耦合電感器可用于Fly-Buck設(shè)計(jì)。任何一款具有合適匝數(shù)比的反激式變壓器也可用在Fly-Buck設(shè)計(jì)中。

Fly-Buck轉(zhuǎn)換器能夠處理多大功率？

Fly-Buck拓?fù)湓诘蛡?cè)開(kāi)關(guān)（同步整流器）導(dǎo)電時(shí)將電力傳輸至次級(jí)。在控制開(kāi)關(guān)的占空比 (D=TON/T) 增加時(shí)，同步開(kāi)關(guān)的占空比減少 (1-D)。對(duì)于一個(gè)指定的平均次級(jí)電流，次級(jí)繞組內(nèi)的峰值電流、初級(jí)繞組和同步整流器內(nèi)的峰值反射電流增加。由于流入變壓器大電流，以及開(kāi)關(guān)阻抗的緣故，穩(wěn)壓將會(huì)受到影響。這個(gè)阻抗由繞組的電阻和泄露電感，以及同步開(kāi)關(guān)內(nèi)的電阻組成。

為了保持良好穩(wěn)壓，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器的占空比應(yīng)該保持在50%以下 (D < ?)。這就為Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的實(shí)際使用設(shè)定了一個(gè)最大輸出功率限值。在較低的輸入電壓下，可用功率隨著輸入電壓呈線性增加。在較高輸入電壓下，功率輸出受到部件的最大電流能力和輸出電壓的限制。初級(jí)側(cè)上15V的最大輸出電壓 (VOUT1) 通常能夠滿足大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的需要。用戶可以按照?qǐng)D9中數(shù)據(jù)為T(mén)I的Fly-Buck轉(zhuǎn)換器選擇最大輸出功率（它是最小工作輸入電壓的函數(shù)）。

圖9.Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的最大輸出功率

結(jié)論

Fly-Buck拓?fù)涫且环N操作簡(jiǎn)易，能創(chuàng)建隔離式、雙極、或多電源軌電源的方法。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)自動(dòng)化、樓宇基礎(chǔ)設(shè)施、電信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、以及測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)。相對(duì)于其它那些涉及反激式，或分立式變壓器驅(qū)動(dòng)器，或者針對(duì)低功率偏置電源設(shè)計(jì)的推挽方法，F(xiàn)ly-Buck拓?fù)渚哂卸鄠€(gè)優(yōu)勢(shì)。TI充分提供的Fly-Buck穩(wěn)壓器IC產(chǎn)品可以支持高達(dá)100V的電源軌，從而滿足了工業(yè)和電信應(yīng)用的需要。此外，數(shù)款現(xiàn)成可用的設(shè)計(jì)還可以大大減少了隔離式偏置電源解決方案的設(shè)計(jì)時(shí)間、工作量，以及所需的專業(yè)知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

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參考設(shè)計(jì)TIDA-00199：用于三相逆變器的寬輸入隔離型IGBT柵極驅(qū)動(dòng)Fly-Buck電源-參考設(shè)計(jì)

參考設(shè)計(jì)PMP7798.1：低功耗隔離式電源 24V => 5V，LM5017

Choudhary，Vijay.AN-2292設(shè)計(jì)一個(gè)隔離式降壓 (Fly-Buck) 轉(zhuǎn)換器，德州儀器 (TI) 使用說(shuō)明書(shū)，2014年12月

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下載這些數(shù)據(jù)表：LM5160A，LM5017，LM5018，LM5019

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Xiang Fang與Wei Liu，產(chǎn)品入門(mén)：Fly-Buck在不使用光耦合器的情況下，在降壓轉(zhuǎn)換器中增加經(jīng)良好穩(wěn)壓的隔離式輸出，EDN，2014年4月6日