按照輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度,隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器常常分為三類,即:已調(diào)節(jié)型、未調(diào)節(jié)型和半調(diào)節(jié)型。本文將討論各種不同的調(diào)節(jié)方案和對(duì)應(yīng)的拓?fù)洹?duì)影響調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行了詳細(xì)地檢查。這將形成一些可在實(shí)際設(shè)計(jì)中改善調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度的設(shè)計(jì)小貼士。此外,還闡述了每種方案的優(yōu)缺點(diǎn),旨在為選擇針對(duì)某種特定應(yīng)用需求的合適解決方案提供指導(dǎo)。
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋與控制
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器通常采用一個(gè)變壓器,以實(shí)現(xiàn)輸出和功率級(jí)輸入的電隔離(圖1)。
圖1:隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的方框圖
圖2:閉環(huán)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋與控制。
未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器(也被稱為“開環(huán)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器”)在那些不需要精準(zhǔn)輸出電壓的應(yīng)用中得到了廣泛的使用。一種典型的應(yīng)用是具有 50% 固定占空比的推挽式轉(zhuǎn)換器(圖3)??刂齐娐穬H包括一個(gè)振蕩器和兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器,其可產(chǎn)生兩個(gè)具有50%固定占空比的互補(bǔ)柵極信號(hào),用以驅(qū)動(dòng)Q1和Q2。選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩髟褦?shù)比以提供所需的輸出電壓。既不需要反饋電路也不需要信號(hào)隔離器,從而縮減了成本和解決方案尺寸。
圖3:具有50%固定占空比的未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器。
推挽式轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一種正向?qū)С鍪酵負(fù)?forward-derived topology)。當(dāng)其以50%的固定占空比運(yùn)作時(shí),輸出電壓調(diào)節(jié)可以使用圖4中的等效電路來(lái)詳細(xì)闡述。R是次級(jí)變壓器繞組和走線的等效電阻。輸出電壓可由式(1)來(lái)表達(dá):
式中的VR是電阻器R兩端的電壓降,VF是二極管正向電壓降,這兩者均與負(fù)載電流有關(guān)。而且,VR和VF還會(huì)隨著環(huán)境溫度而變化,VOUT亦然。如式(1)所示,除了負(fù)載電流和環(huán)境溫度之外,VIN也是影響VOUT的一個(gè)因素。這些因素根本沒有進(jìn)行補(bǔ)償,因而有可能導(dǎo)致顯著的輸出電壓變化。這類轉(zhuǎn)換器之所以被為“未調(diào)節(jié)型”,原因即在于此。
圖4:未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器的等效電路。
已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器
在未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中,輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度均會(huì)影響輸出電壓準(zhǔn)確度。在那些精準(zhǔn)輸出電壓和嚴(yán)格調(diào)節(jié)至關(guān)緊要的應(yīng)用中,這是無(wú)法接受的,因而應(yīng)采用已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。我們以圖5所示的反激式轉(zhuǎn)換器為例來(lái)詳細(xì)闡述如何實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的調(diào)節(jié)。與未調(diào)節(jié)型推挽式轉(zhuǎn)換器(圖3)相比,已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)額外的反饋電路。另外,還采用了一個(gè)光耦合器以把控制信號(hào)從次級(jí)側(cè)傳輸至初級(jí)側(cè),同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流隔離。
采用光耦合器的優(yōu)勢(shì)在于可以把反饋電路布設(shè)在次級(jí)側(cè)。這樣,就能夠直接感測(cè)和調(diào)節(jié)輸出電壓(即 VSENSE=VOUT),這反過來(lái)又補(bǔ)償了輸入電壓、負(fù)載電流和溫度對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的所有影響。因此,通??梢灶A(yù)期在整個(gè)工作輸入電壓、負(fù)載電流和溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1%至3%的嚴(yán)格調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。
使用光耦合器也有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先,光耦合器在控制環(huán)路中引入了一個(gè)額外的極點(diǎn),這將降低轉(zhuǎn)換器帶寬。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)中的溫度和壽命劣化,因而使得控制環(huán)路設(shè)計(jì)受到約束。
圖5:采用一個(gè)光耦合器的已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器。
半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器
未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器雖然不需要任何光耦合器,但其無(wú)法提供任何的調(diào)節(jié)。與之相反,已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié),然而卻需要使用一個(gè)光耦合器。在許多應(yīng)用中,客戶可能不希望采用光耦合器,但要求對(duì)輸出電壓實(shí)施一定程度的調(diào)節(jié)。所謂“半調(diào)節(jié)型”隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器將是合適的解決方案。
從輸出電壓調(diào)節(jié)的角度來(lái)看,半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器介乎于未調(diào)節(jié)型和已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器之間。與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器相似,半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也具有一個(gè)反饋電路。然而,它并不直接感測(cè)和調(diào)節(jié)輸出。取而代之的是,它只檢測(cè)一個(gè)與次級(jí)側(cè)上的輸出電壓相似、但通常參考于初級(jí)輸入電壓的電壓。這些方法也許不能實(shí)現(xiàn)與已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確度相同的輸出電壓,但其免除了光耦合器,同時(shí)獲得了相當(dāng)好的輸出電壓調(diào)節(jié)性能。在本文中討論的三個(gè)例子是Fly-Buck轉(zhuǎn)換器、具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器和初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)反激式轉(zhuǎn)換器。
Fly-Buck轉(zhuǎn)換器
Fly-Buck 轉(zhuǎn)換器基本上就是一個(gè)同步降壓型轉(zhuǎn)換器,它具有一個(gè)耦合至其電感器的額外繞組,用以生成一個(gè)隔離式輸出(VOUT)。除了次級(jí)側(cè)上的隔離式輸出之外,F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器還在初級(jí)側(cè)上提供了一個(gè)已調(diào)節(jié)輸出(VP)。初級(jí)側(cè)輸出的調(diào)節(jié)方式與獨(dú)立型同步降壓轉(zhuǎn)換器相同,如式(2):
式中的D為圖6中的降壓開關(guān)Q1的占空比。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)同步開關(guān)Q2導(dǎo)通時(shí)VP反射至次級(jí)側(cè)并被整流為VOUT。等效電路示于圖7。VOUT可利用式(3)來(lái)計(jì)算:
圖6:Fly-Buck轉(zhuǎn)換器。
圖7:Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的等效電路。
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),輸出電容器COUT放電,提供負(fù)載電流。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí),輸出電容器電荷得到補(bǔ)充以保持調(diào)節(jié)作用。實(shí)際上,變壓器或多或少會(huì)有一些漏電感,其決定了次級(jí)繞組中用于對(duì)輸出電容器進(jìn)行充電的電流的斜坡上升速率。漏電感和占空比會(huì)影響輸出電壓調(diào)節(jié)。應(yīng)盡可能地減小漏電感并謹(jǐn)慎地選擇最大的工作占空比,以減輕它們對(duì)于調(diào)節(jié)的影響。憑借正確的設(shè)計(jì),大概可以實(shí)現(xiàn)5%至10%(具體數(shù)值取決于負(fù)載電流范圍)的輸出電壓調(diào)節(jié)。
具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器
反激式轉(zhuǎn)換器能夠很容易地生成多個(gè)輸出,而不必像其他DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)淠菢映3P枰鲈O(shè)額外的輸出濾波電感器。在多輸出配置中(圖8),只有一個(gè)輸出Vaux是直接調(diào)節(jié)的,而其他的VOUT則依靠交叉調(diào)節(jié)。一般地,通過使已調(diào)節(jié)輸出Vaux參考于初級(jí)側(cè)上的輸入VIN,就能免除圖5所示的已調(diào)節(jié)型反激式轉(zhuǎn)換器的光耦合器。次級(jí)側(cè)上的隔離式輸出VOUT可由式(4)給出:
圖8:具有交叉調(diào)節(jié)輸出的反激式轉(zhuǎn)換器。
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PSR反激式轉(zhuǎn)換器
雖然線路輸入電壓調(diào)節(jié)性能優(yōu)良,但是Fly-Buck和依賴于交叉調(diào)節(jié)的反激式轉(zhuǎn)換器均無(wú)法補(bǔ)償負(fù)載電流對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的影響。因此,輸出電壓準(zhǔn)確度取決于負(fù)載電流。PSR反激式轉(zhuǎn)換器(圖9)旨在通過更加準(zhǔn)確地檢測(cè)輸出電壓來(lái)最大限度地抑制這種依存性。
圖9:PSR 反激式轉(zhuǎn)換器。
圖10:PSR反激式轉(zhuǎn)換器的電壓檢測(cè)方案。
結(jié)語(yǔ)
為了實(shí)現(xiàn)電流隔離和安全性并改善抗噪聲能力,在隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中對(duì)次級(jí)側(cè)和初級(jí)側(cè)進(jìn)行了電隔離。功率級(jí)和控制電路都運(yùn)用了這種隔離。輸出電壓的檢測(cè)和調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定了輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。未調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器擁有最低的成本和最簡(jiǎn)單的電路,但沒有調(diào)節(jié)功能。已調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器可在整個(gè)線路輸入電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)提供嚴(yán)格的調(diào)節(jié),但需要使用一個(gè)光耦合器或數(shù)字隔離器IC。半調(diào)節(jié)型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器則在輸出電壓調(diào)節(jié)和電路復(fù)雜性之間進(jìn)行了折衷。最合適的解決方案應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求來(lái)選擇。
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