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隔離式DC/DC轉換器電壓調節設計

上網時間: 2015年02月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:隔離式DC/DC轉換器  電壓調節  Fly-Buck 轉換器  返馳式轉換器 

作者:Haifeng Fan,德州儀器電源產品部系統工程師

隔離式DC/DC轉換器是眾多應用不可或缺的元件,這些應用包括了電能計量、PLC、IGBT驅動器電源、工業現場匯流排和工業自動化等。此類轉換器常用於提供電流隔離、改善安全性以及提高抗雜訊能力。而且,它們還可用來產生包括雙極電源軌等多種輸出電壓軌。

按照輸出電壓調節準確度,隔離式DC/DC轉換器通常分為三類:已調節型、未調節型和半調節型。本文將討論各種不同的調節方案和對應的拓撲,並對影響調節準確度的因素進行詳細地討論。這將形成一些可在實際設計中改善調節準確度的設計小技巧。此外,本文還探討每一種方案的優缺點,為特定應用需求選擇的合適解決方案提供指南。

隔離式DC/DC轉換器的反饋與控制

隔離式DC/DC轉換器通常採用一個變壓器,以實現輸出和功率級輸入的電性隔離。

圖1:隔離式DC/DC轉換器功率級方塊圖
圖1:隔離式DC/DC轉換器功率級方塊圖

在閉環隔離式DC/DC轉換器中,反饋電路負責檢測輸出電壓,並透過把檢測電壓與其目標值(反饋電壓基準)進行比較,以產生一個誤差。該誤差隨後被用於調整控制變數以補償輸出偏差。此外,一次側與二次側上控制電路之間的電流隔離也不可或缺。此類隔離可透過採用一個變壓器或光耦合器來實現。假設參考電壓VREF在整個溫度範圍內保持精確且穩定,那麼調節準確度主要將取決於輸出電壓檢測準確度(即VSENSE與VOUT相似度的高低)。

圖2:閉環隔離式DC/DC轉換器的反饋與控制
圖2:閉環隔離式DC/DC轉換器的反饋與控制

未調節型隔離式DC/DC轉換器

未調節型隔離式DC/DC轉換器(也被稱為‘開環隔離式DC/DC 轉換器’)在一些不需要精確輸出電壓的應用中得到了廣泛的使用。一種典型的應用是具有50%固定工作週期的推挽式轉換器。控制電路僅包括一個振盪器和兩個閘極驅動器,它可產生兩個具有50%固定工作週期的互補閘極訊號,用以驅動Q1和Q2。選擇適當的變壓器匝數比可提供所需的輸出電壓。由於它既不需要反饋電路也不需要訊號隔離器,從而縮減了成本和解決方案尺寸。

圖3:具有50%固定工作週期的未調節型推挽式轉換器
圖3:具有50%固定工作週期的未調節型推挽式轉換器

推挽式轉換器實質上是一種正向導出式拓撲。當它以50%的固定工作週期運作時,輸出電壓調節可以使用圖4中的等效電路來詳細闡述。R是二次側變壓器線圈和走線的等效電阻。輸出電壓可由等式(1)表示:


等式(1)中的VR是電阻器R兩端的電壓降,VF是二極體正向電壓降,二者均與負載電流有關。此外,VR和VF還會隨著環境溫度而變化,VOUT亦然。如等式(1)所示,除了負載電流和環境溫度之外,VIN也是影響VOUT的一個因素。這些因素根本沒有進行補償,因而可能導致顯著的輸出電壓變化。這類轉換器之所以被稱為‘未調節型’的原因即在於此。

圖4:未調節型推挽式轉換器的等效電路。
圖4:未調節型推挽式轉換器的等效電路。

與推挽式轉換器相似,未調節型隔離式DC/DC轉換器的其他常用拓撲是半橋和全橋式(H橋)轉換器。由於成本低且電路十分簡單,因此這些未調節型隔離式DC/DC轉換器常被用作DC變壓器,以提供電流隔離。低壓降(LDO)穩壓器通常用作後置穩壓器,以提供低雜訊和低紋波電源。

已調節型隔離式DC/DC轉換器

在未調節型隔離式DC/DC轉換器中,輸入電壓、負載電流和環境溫度均會影響輸出電壓準確度。針對一些精確輸出電壓和嚴格調節至關重要的應用中,這是無法接受的,因此必須採用已調節型隔離式DC/DC轉換器。圖5的返馳式轉換器顯示如何實現嚴格的調節。相較於未調節型推挽式轉換器(圖3),已調節型返馳式轉換器具有一個額外的反饋電路。另外,還採用了一個光耦合器把控制訊號從二次側傳輸至一次側,同時實現電流隔離。

採用光耦合器的優勢在於可以把反饋電路設置在二次側。如此一來,就能夠直接感測和調節輸出電壓(即 VSENSE=VOUT),轉而補償了輸入電壓、負載電流和溫度對輸出電壓調節的所有影響。因此,通常可以預期到在整個工作輸入電壓、負載電流和溫度範圍內實現1%-3%的嚴格調節準確度。

使用光耦合器也有幾個缺點。首先,光耦合器在控制環路中導入了一個額外的極點,這將會降低轉換器頻寬。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)中的溫度和壽命退化,因而使得控制環路設計受到限制。

圖5:採用光耦合器的已調節型返馳式轉換器。
圖5:採用光耦合器的已調節型返馳式轉換器。

半調節型隔離式DC/DC轉換器

未調節型隔離式DC/DC轉換器雖然不需要任何光耦合器,但也無法提供任何的調節功能。相反地,已調節型隔離式DC/DC轉換器可提供嚴格的輸出電壓調節,然而卻需要使用光耦合器。而在許多應用中,客戶可能不希望使用光耦合器,但要求對輸出電壓實施一定程度的調節。所謂的‘半調節型’隔離式DC/DC轉換器將是合適的解決方案。

從輸出電壓調節的角度來看,半調節型隔離式DC/DC轉換器介於未調節型和已調節型隔離式DC/DC轉換器之間。半調節型隔離式DC/DC轉換器與已調節型隔離式DC/DC轉換器同樣都具有一個反饋電路。然而,它並不直接感測和調節輸出,而是只檢測一個與二次側上的輸出電壓相似、但通常以一次側輸入電壓作為參考的電壓。這些方法也許不能實現與已調節型隔離式DC/DC轉換器準確度相同的輸出電壓,但它免除了光耦合器,同時獲得相當好的輸出電壓調節性能。本文中討論的三個例子是Fly-Buck轉換器、具有交叉調節輸出的返馳式轉換器,以及一次側調節(PSR)返馳式轉換器。

Fly-Buck轉換器:Fly-Buck轉換器基本上就是一個同步降壓轉換器,它具有一個耦合至電感器的額外線圈,用以產生一個隔離式輸出(VOUT)。除了二次側上的隔離式輸出之外,Fly-Buck轉換器還在一次側上提供一個已調節輸出(VP)。一次側輸出的調節方式與獨立型同步降壓轉換器相同,如式(2):


等式(2)中的D為圖6中的降壓開關Q1的工作週期。當低壓側同步開關Q2導通時VP反射至二次側並被整流為VOUT。等效電路如圖7。VOUT可利用等式(3)來計算:


與等式(1)和圖4所說明的未調節型推挽式轉換器相似,Fly-Buck隔離輸出是VR和VF(二者均取決於負載電流和溫度)的一個函數。然而,VP是一個由反饋電路調節的?定電壓,使得VP(包括VOUT)與VIN無關。針對Fly-Buck轉換器的隔離式輸出,VIN的影響得到了補償,但負載電流和溫度的影響則並未予以補償。因此,Fly-Buck轉換器歸類於半調節型隔離式DC/DC轉換器。

圖6:Fly-Buck轉換器。
圖6:Fly-Buck轉換器。

圖7:Fly-Buck轉換器的等效電路。
圖7:Fly-Buck轉換器的等效電路。

當Q1導通時,輸出電容器COUT放電,提供負載電流。當Q2導通時,輸出電容器電荷得到補充以保持調節作用。實際上,變壓器或多或少會有一些漏電感,決定了一次側線圈中用於對輸出電容器進行充電的電流斜坡上升速率。漏電感和工作週期會影響輸出電壓調節。在設計時必須盡可能地減小漏電感並謹慎地選擇最大的工作週期,以減輕對於調節的影響。透過正確的設計可實現5%至10%(具體數值取決於負載電流範圍)的輸出電壓調節。

具有交叉調節輸出的返馳式轉換器:返馳式轉換器能夠容易地產生多個輸出,而不必像其他DC/DC轉換器拓撲那樣經常需要增設額外的輸出濾波電感器。在多輸出配置中,只有一個輸出Vaux是直接調節的,而其他的VOUT則依靠交叉調節。透過參考與一次側上輸入VIN相同的調節輸出Vaux,就能免於使用圖5所示已調節型返馳式轉換器的光耦合器。二次側上的隔離式輸出VOUT可由等式(4)表示:


等式中的VRs和VRa分別是二次側線圈和輔助線圈的等效電阻電壓降。VRs、VRa、VFD1和VFD2均為其自身電流的函數。在二次側線圈和輔助線圈中流動的電流是不均勻的,因而導致在VOUT和Vaux之間的負載調節中無法匹配。結果,VOUT的負載調節就沒有Vaux那麼好。隔離式輸出與VIN無關,表示可獲得優質的線路輸入電壓調節性能。由於交叉調節輸出取決於負載電流範圍,因此通常可以實現5%至10%的輸出電壓調節。

圖8:具有交叉調節輸出的返馳式轉換器。
圖8:具有交叉調節輸出的返馳式轉換器。

PSR返馳式轉換器:雖然線路輸入電壓調節性能良好,但Fly-Buck和依賴於交叉調節的返馳式轉換器均無法補償負載電流對輸出電壓調節的影響。因此,輸出電壓的準確度取決於負載電流。PSR返馳式轉換器旨在透過更準確地檢測輸出電壓來最大限度地抑制這種依存性。

圖9:PSR返馳式轉換器。
圖9:PSR返馳式轉換器。

鑒頻器與採樣器

透過作業於不連續導通模式(DCM)或邊界導通模式(BCM),二次側電流在每個開關週期中恢復至零。圖10顯示DCM中的輔助線圈電壓分佈。PSR返馳式轉換器透過一個專用的鑒頻器和採樣器電路(此時二次側電流近似為零)檢測輔助線圈電壓VSENSE。在採樣點上,由於二次側電流為零,因此在線圈和走線兩端沒有電阻壓降。而且,採樣點處的二極體正向壓降變成一個常數VOFFSET,這與實際負載電流無關。因此,檢測電壓變為:


因此,無論負載電流如何,VSENSE都能有效反映輸出電壓,僅具有一個可透過調整電壓反饋電阻分壓器抵銷的固定電壓,使得負載電流對於輸出電壓調節的影響大幅減弱,並可預期實現最佳的負載調節。由於PSR返馳式轉換器對線路輸入電壓和負載變動均實施了補償,因而能夠實現優於5%的總調節性能。

圖10:PSR返馳式轉換器的電壓檢測方案。
圖10:PSR返馳式轉換器的電壓檢測方案。

結論

為了實現電流隔離和安全性以及改善抗雜訊能力,在隔離式DC/DC轉換器中對二次側和一次側進行了電性隔離。功率級和控制電路都採用了這種隔離方式。輸出電壓的檢測和調節方式決定了輸出電壓調節準確度。未調節型隔離式DC/DC轉換器擁有最低的成本和最簡單的電路,但缺少調節功能;已調節型隔離式DC/DC轉換器可在整個線路輸入電壓、負載和溫度範圍內提供嚴格的調節,但還必須使用光耦合器或數字隔離器IC。半調節型隔離式DC/DC轉換器則在輸出電壓調節和電路複雜性之間進行了折衷。最合適的解決方案仍應根據具體應用需求來選擇。

(參考原文:Understanding isolated DC/DC converter voltage regulation,by Haifeng Fan)





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