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(多图)隔离式DC/DC转换器的三类电压调节方案

Haifeng Fan?? 2015年04月02日 ?? 收藏3
隔离式DC/DC转换器是众多应用所必需的组件,这些应用包括了电能计量、PLC、IGBT驱动器电源、工业现场总线和工业自动化等。此类转换器常用于提供电流隔离、改善安全性及提高抗噪声能力。而且,它们还可用来生成包括双极性电源轨在内的多个输出电压轨。

按照输出电压调节准确度,隔离式DC/DC转换器常常分为三类,即:已调节型、未调节型和半调节型。本文将讨论各种不同的调节方案和对应的拓扑。对影响调节准确度的因素进行了详细地检查。这将形成一些可在实际设计中改善调节准确度的设计小贴士。此外,还阐述了每种方案的优缺点,旨在为选择针对某种特定应用需求的合适解决方案提供指导。

隔离式DC/DC转换器的反馈与控制

隔离式DC/DC转换器通常采用一个变压器,以实现输出和功率级输入的电隔离(图1)。

图1:隔离式DC/DC转换器功率级的方框图
图1:隔离式DC/DC转换器功率级的方框图

在闭环隔离式DC/DC转换器中(图2),反馈电路负责检测输出电压,并通过把检测电压与其目标值(反馈电压基准)进行比较,以生成一个误差。该误差随后被用于调整控制变量(在本例中为占空比)以补偿输出偏差。另外,初级侧与次级侧上的控制电路之间的电流隔离也是必不可少的。此类隔离可通过采用一个变压器或光耦合器来实现。假设基准电压VREF在整个温度范围内保持精准和稳定,那么调节准确度将主要取决于输出电压检测准确度(换句话说就是,VSENSE与VOUT相似度的高低)。

图2:闭环隔离式DC/DC转换器的反馈与控制。
图2:闭环隔离式DC/DC转换器的反馈与控制。

未调节型隔离式DC/DC转换器

未调节型隔离式DC/DC转换器(也被称为“开环隔离式 DC/DC 转换器”)在那些不需要精准输出电压的应用中得到了广泛的使用。一种典型的应用是具有 50% 固定占空比的推挽式转换器(图3)。控制电路仅包括一个振荡器和两个栅极驱动器,其可产生两个具有50%固定占空比的互补栅极信号,用以驱动Q1和Q2。选择适当的变压器匝数比以提供所需的输出电压。既不需要反馈电路也不需要信号隔离器,从而缩减了成本和解决方案尺寸。

图3:具有50%固定占空比的未调节型推挽式转换器。
图3:具有50%固定占空比的未调节型推挽式转换器。

推挽式转换器实质上是一种正向导出式拓扑(forward-derived topology)。当其以50%的固定占空比运作时,输出电压调节可以使用图4中的等效电路来详细阐述。R是次级变压器绕组和走线的等效电阻。输出电压可由式(1)来表达:

图4:未调节型推挽式转换器的等效电路。

式中的VR是电阻器R两端的电压降,VF是二极管正向电压降,这两者均与负载电流有关。而且,VR和VF还会随着环境温度而变化,VOUT亦然。如式(1)所示,除了负载电流和环境温度之外,VIN也是影响VOUT的一个因素。这些因素根本没有进行补偿,因而有可能导致显著的输出电压变化。这类转换器之所以被为“未调节型”,原因即在于此。

图4:未调节型推挽式转换器的等效电路。
图4:未调节型推挽式转换器的等效电路。

与推挽式转换器相似,未调节型隔离式DC/DC转换器的其他常用拓扑是半桥和全桥(H桥)式转换器。由于成本低且电路十分简单,因此这些未调节型隔离式DC/DC转换器常被用作DC变压器,以提供电流隔离。低压降(LDO)稳压器通常用作后置稳压器,以提供低噪声和低纹波电源。

已调节型隔离式DC/DC转换器

在未调节型隔离式DC/DC转换器中,输入电压、负载电流和环境温度均会影响输出电压准确度。在那些精准输出电压和严格调节至关紧要的应用中,这是无法接受的,因而应采用已调节型隔离式DC/DC转换器。我们以图5所示的反激式转换器为例来详细阐述如何实现严格的调节。与未调节型推挽式转换器(图3)相比,已调节型反激式转换器具有一个额外的反馈电路。另外,还采用了一个光耦合器以把控制信号从次级侧传输至初级侧,同时实现电流隔离。

采用光耦合器的优势在于可以把反馈电路布设在次级侧。这样,就能够直接感测和调节输出电压(即 VSENSE=VOUT),这反过来又补偿了输入电压、负载电流和温度对输出电压调节的所有影响。因此,通常可以预期在整个工作输入电压、负载电流和温度范围内实现1%至3%的严格调节准确度。

使用光耦合器也有几个缺点。首先,光耦合器在控制环路中引入了一个额外的极点,这将降低转换器带宽。其次,光耦合器具有很大的“逐件变异”(unit-to-unit variation)以及电流传输比(CTR)中的温度和寿命劣化,因而使得控制环路设计受到约束。

图5:采用一个光耦合器的已调节型反激式转换器。
图5:采用一个光耦合器的已调节型反激式转换器。

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隔离式DC/DC转换器? 电压调节? Fly-Buck? 反激式转换器?

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