国产光耦替换-数字隔离器厂家-腾恩科技

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通过隔离栅供电：隔离式 DC/DC 偏置电源的前景
随着高压系统中的功率水平不断提高，设计人员需要安全地跨隔离栅传输信号和电源。
跨越隔离栅移动信号和电源是设计人员面临的常见挑战。 系统域之间的安全性、抗噪性或较大的电位差可能需要隔离。例如，手机充电器是内部隔离的，以防止在连接器短路时人体与电源电连接。 在工厂机器人等其他应用中，敏感的控制电路位于单独的接地上，并与吸收大直流电流并产生噪声和接地反弹的电机隔离。
通信和传感通常跨隔离栅实现。 具有控制器局域网 (CAN) 或 CAN 灵活数据速率 (FD) 协议通信的汽车应用可以使用集成了隔离和收发器组件的隔离式 CAN 收发器将这些信号与汽车的高压侧隔离。 工业应用也可以使用 CAN 协议，但也可以使用 RS-485 协议进行长距离串行通信。 与隔离 CAN 和 CAN FD 信号类似，设计人员可以利用为 RS-485 协议设计的隔离式收发器。保护继电器使用隔离式电流和电压传感器来感应通过电网的功率。牵引逆变器和电机驱动器采用脉宽调制 (PWM) 来自电机控制器的信号并通过隔离器告诉栅较驱动器打开或关闭绝缘栅双较晶体管。
隔离式偏置转换器通过从隔离栅的一侧向另一侧提供偏置电源来实现隔离式通信和感应。电流和电压传感器、数字隔离器和栅较驱动器通常需要不到 15 W 和低至数十毫瓦的功率。 图 1 显示了每个应用程序的示例。

隔离式 DC/DC 偏置电源要求
许多解决方案可以提供来自具有外部电源开关的控制器的隔离偏置电源； 转换器，将控制器与电源开关集成在一起； 最后是电源模块，将控制器、电源开关和变压器集成在一个封装中。 由于偏置电源解决方案种类繁多，应用范围广泛，因此必须充分了解应用要求，以便以较低成本满足规范要求。
至少，设计人员应该了解偏置电源输入电压范围、输出电压和输出功率要求。 某些应用需要多个偏置电压，因此为每个输出定义可接受的调节非常重要。 绝缘等级、环境工作温度范围、EMI 和电磁兼容性 (EMC) 等系统要求将进一步推动设计决策。 表 1 仅显示了较为广泛的隔离式偏置转换器规格的四个示例。 让我们回顾一些示例隔离偏置电源拓扑。
反激式转换器
反激式转换器是一种广为人知的拓扑结构，已广泛使用了数十年。 由于其灵活性和低成本，该电源转换器可以支持多种应用。 场效应晶体管 (FET) 集成和初级侧控制等进步使这种拓扑结构更具吸引力。
与前向、推挽和半桥等降压型拓扑相比，反激式拓扑仅需要一个初级开关、一个整流器和一个类变压器耦合电感。 图 2 显示了转换器的简化原理图。 当初级开关打开时，输入电压施加在初级绕组上，将能量存储在变压器的气隙中。在这种状态下，输出负载仅由输出电容器支撑。 当初级开关关闭时，储存在变压器中的能量通过整流器传送到次级，为负载供电并为输出电容器充电。
出于多种原因，反激式转换器可以很好地用作偏置转换器。 它在一个转换阶段提供调节和隔离。 它的灵活性对于多输出也很有用。 您可以选择输出绕组的数量并缠绕变压器以支持您选择的配置。输出绕组上的相应电压是占空比和初级到次级绕组匝数比的函数。 也可以将每个输出参考到不同的地，以满足系统隔离要求。 其他反激式优势包括其相对较低的成本和较宽的输入到输出工作范围。
正确设计反激变压器以获得较佳性能非常重要。 变压器应耦合良好，漏感低，以实现较高效率和较佳调节，尤其是在多路输出中。 但是，也有必要限制初级到次级的寄生电容，以防止过度的 EMI。
该拓扑使用带有耦合电感的同步降压转换器来创建一个或多个隔离输出。当高端开关导通时，初级侧像降压转换器一样工作，次级绕组电流为零。在关闭状态时 次级侧的低侧开关由初级存储的能量驱动。

同步降压转换器广泛可用，使 Fly-Buck 转换器成为一种有吸引力的拓扑。转换器不需要额外的辅助绕组或光耦合器进行控制，因为反馈回路可以在初级输出电压上闭合。耦合电感器结构是 灵活的。 匝数比、绝缘等级、次级绕组数量和 PWM 占空比是可控的，可用于各种应用。
与反激式转换器一样，必须正确设计耦合电感。 在限制初级到次级的寄生电容的同时管理漏电感很重要。对于需要大于 100V 输入的应用，您可以使用带有外部 MOSFET 的 Fly-Buck 转换器。
推挽式变压器驱动器
推挽式变压器驱动器是低噪声、小尺寸隔离电源的常见解决方案。 它由严格调节的输入轨供电，并以固定的 50% 占空比在开环中运行。 MOSFET 集成到 IC 中，实现了紧凑的解决方案。
图 4 显示了推挽式拓扑。推挽式拓扑是正向拓扑的双端变体，两个 MOSFET 均以地为参考，*外部自举电路。 与单端正激转换器类似，FET 上的电压应力是输入电压的两倍。MOSFET 在交替的半周期内以 50% 的占空比进行开关，从而驱动变压器的中心抽头绕组。
由于许多原因，推挽式变压器驱动器是一种流行的隔离式偏置电源解决方案。 它提供了灵活性和支持多个输出的能力。 开环配置通过消除反馈环路提供了设计简单性。 推挽式变压器提供较低的初级-次级电容，与反激式和 Fly-Buck 转换器相比，可以降低共模噪声。
此外，与反激式和 Fly-Buck 转换器相比，推挽式拓扑更有效地使用变压器铁芯磁化电流，从而产生更小的磁性解决方案。
尽管变压器驱动器具有许多优点，但考虑到权衡也很重要。 与反激式和 Fly-Buck 转换器不同，变压器驱动器不能支持宽输入电压范围，而是需要严格调节的输入电压。 由于没有闭环，满足反馈的输出电压调节要求可能具有挑战性，并且可能需要低压差后置稳压器 (LDO)。
LLC转换器
大多数变压器驱动器已从其推挽式前身发展为谐振转换器，例如半桥配置中的电感-电感-电容 (LLC) 拓扑。 尽管 MOSFET 开关控制是相同的——每个 MOSFET 以 50% 的占空比交替开启，并且转换器处于开环运行状态——但 LLC 拓扑为系统带来了额外的好处。
图 5 显示 LLC 半桥拓扑。与推挽式一样，LLC 拓扑是双端的。变压器由配置在具有外部串联谐振电容的半桥中的 MOSFET 驱动。 变压器中的电容和漏感提供了一个串联谐振电路。 能量通过谐振电路中的电流从初级负载转移到次级负载。 在这种拓扑结构中，由于串联谐振电路的操作，初级和次级电流是正弦的。
LLC 拓扑的主要优势包括更高的效率、更低的 EMI 和更低的隔离栅电容（这有助于提高共模瞬态抗扰度 [CMTI] 的可靠性。
变压器漏感不再是噪声或能量损失的问题； 实际上，它成为串联谐振电路的一部分。