兩個簡單的隔離電源選項適用于 8 W 或更低功率-設計應用

精品文檔-下載后可編輯兩個簡單的隔離電源選項，適用于8W或更低功率-設計應用在這個電源技巧中，我想介紹兩種方法，它們都可以降低隔離偏置電源中的設計復雜性和噪聲耦合。一種方法適用于多個隔離輸出和高達8W的總輸出功率，它使用電感器-電感器-電容器(LLC)拓撲以及半橋驅動器，例如TI的UCC25800-Q1。第二種方法集成了隔離變壓器，適用于高達1.5W和一個隔離輸出，使用單個集成電路(IC)，例如TI的UCC14240-Q1。該器件包含電源和反饋隔離，只需要濾波電容器和電阻分壓器即可完成設計。隔離電源的復雜性，尤其是在低功率水平下，是一個巨大的成本、尺寸和設計資源負擔。常見的低功耗拓撲是反激式轉換器。傳統(tǒng)的反激式轉換器使用光耦合器將次級側的輸出電壓反饋到初級側的控制器IC。出于長期可靠性方面的考慮，低成本光耦合器不適用于要求苛刻的汽車和工業(yè)環(huán)境。即使采用閉環(huán)調節(jié)，也只有一個反激輸出真正得到完全調節(jié)。具有初級側調節(jié)功能的反激式轉換器可消除任何光耦合器要求，例如TI的LM5180-Q1。然而，低泄漏變壓器的需求及其噪聲和隔離挑戰(zhàn)仍然存在。對于大多數(shù)轉換器拓撲結構，低泄漏變壓器是有效跨隔離勢壘供電的關鍵。降低變壓器漏感的方法，例如緊密耦合的繞組和交錯，通常會增加初級到次級的電容。該電容會傳播來自隔離式轉換器開關本身以及隔離式輸出連接到的電路（例如牽引逆變器或車載充電器中的高側開關）的噪聲。這些開關可以每納秒超過100V的速度上下擺動。此外，在需要高（幾千伏）增強隔離和低漏感的變壓器中存在顯著的成本和尺寸負擔。我在這里的重點是大約8W或更少的高度隔離電源需求，其中可用的初級側電源在12VDC至24VDC范圍內。在連接到交流電源或400和800V電池的電路中需要電源的情況下，需要高隔離額定值（3kV均方根[RMS]或更高）才能滿足安全隔離。應用示例包括電動汽車和牽引逆變器的車載充電器中的隔離偏置電源，通常需要大約+15V來實現(xiàn)快速開關開啟，大約需要–5V來實現(xiàn)快速開關關閉，返回端連接到發(fā)射極或源極大功率開關。一個IC用于多個輸出和高達8W：UCC25800-Q1LLC拓撲（參見應用說明，“使用UCC25800-Q1開環(huán)LLC變壓器驅動器的隔離式柵極驅動器的偏置電源設計”")允許在沒有反饋的情況下對隔離輸出電壓進行良好的負載調節(jié)。這種拓撲結構實際上是利用變壓器的漏感來提供軟開關，大大降低了主開關中的開關損耗。漏感對輸出調節(jié)的影響可以通過耦合電容有效調諧，這一事實允許使用高隔離變壓器，其初級和次級位于不同的線軸上。這導致非常低的耦合電容以實現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲和高增強（幾千伏）隔離以實現(xiàn)安全目的。軟開關與耦合電容對漏感的調諧相結合，將漏感從敵人變成了朋友。這種方法確實需要一個穩(wěn)定的輸入直流電壓來供電，以避免二次側調節(jié)的需要。使用雙開關半橋（用于此處所需的低功率水平），將輸入電壓的二分之一的方波施加到變壓器初級。對于汽車應用，通常有12V或24V的穩(wěn)壓直流電壓用于其他用途。如果需要預穩(wěn)壓器，一個簡單的單端初級電感轉換器將提供穩(wěn)定的15V或24V輸入電源。這種預穩(wěn)壓器的設計負擔通常比抑制由低泄漏反激式變壓器引起的系統(tǒng)噪聲的挑戰(zhàn)要小得多。已發(fā)布的UCC25800-Q1設計示例包括“用于牽引逆變器應用的預穩(wěn)壓隔離式驅動器偏置電源參考設計”：四個輸出、6W總功率為30V（如圖1和圖2所示）和“隔離式IGBT和適用于牽引逆變器應用的SiC驅動器偏置電源參考設計”，+16V/–5V可實現(xiàn)24V的6.6-W。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和碳化硅(SiC)驅動器參考設計中使用的變壓器只有1.3-pF的典型初級到次級電容，而類似功率的反激式變壓器的典型值為20pF。電容減少10倍以上表示系統(tǒng)中的噪聲傳播至少減少20dB。的初級和次級接口是變壓器。

圖1來自預穩(wěn)壓參考設計原理圖——隔離式四輸出轉換器。資料：德州儀器

圖2預穩(wěn)壓參考設計組裝板，包括來自6VIN的升壓電路。資料：德州儀器對于從負載的10%到100%的負載，四個輸出的輸出調節(jié)在16.25V到17.27V的范圍內變化。當您需要低于2W的隔離電源時，一種更簡單的方法：UCC14240-Q1一種更簡單的方法是集成變壓器和次級到初級反饋的獨立隔離式轉換器IC，只需輸入/輸出電容器和分壓器即可設置正輸出和負輸出。功率級包括一個初級側全橋、一個具有非常低的初級到次級電容（約為3.5pF以限度地減少系統(tǒng)噪聲耦合）的隔離變壓器，以及一個全橋輸出整流器。選擇13MHz的開關頻率既可以實現(xiàn)這種低初級到次級電容，又可以將其自身的開關噪聲很好地排除在汽車應用的任何關注頻段之外。IC的內部反饋允許輸入電壓與標稱值的變化超過±10%，并且仍然提供在標稱輸出的1.3%以內的良好調節(jié)的正電壓和負電壓。UCC14240-Q1的工作電壓為21VIN至27VIN，目標是牽引逆變器、車載充電器和電機控制中IGBT和SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管的柵極驅動應用，典型正電壓為+15V開啟設備，以及–5V的典型負電壓關閉設備。但是，在18V至25V的總電壓范圍內允許使用其他正負電壓組合。

圖3、圖4和圖5顯示了一個獨立的高隔離示例，其中計劃的3,000-VRMS隔離作為“SPI可編程柵極驅動器和偏置電源參考設計”的一部分。U1是實際的DC/DC隔離電源，U3是智能隔離柵極驅動器，帶有Q1和L1的U2是汽車電池到直流轉換器。請注意8毫米初級到次級隔離谷。圖3來自汽車“具有集成變壓器參考設計的SPI可編