了解隔离式 DCDC 转换器电压调节

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1、TexasInstruments对隔离式DC/DC转换器电压调节的理解作者：HaifengFan，德州仪器电源产品部系统工程师引言隔离式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、工业可编程逻辑控制器(PLC)、绝缘栅双极晶体管(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

2、。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

3、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

4、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推挽式转换器实质上是一种正向导出式拓扑(forward-derivedtopology)。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(1)式来表达：VOUT=(Ns/Np)VIN–VR–VF(1)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(1)式所示，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

5、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

6、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

7、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-unitvariation)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半调节型隔离式DC/DC转换器未调节型隔离式DC/DC转换器虽然不需要任何光耦合器，但其无法提供任何的调节。与之相反，已调节型隔离式DC/DC转换器可提供严格的输出电压调节，然而却需要使用一个光耦合器。在许多应用中，客户可