详解隔离式DC/DC转换器电压调节

作者: Haifeng Fan，系统工程师，TI公司

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

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。

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。

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：



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。

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。

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，客户可能不希望采用光耦合器，但要求对输出电压实施一定程度的调节。所谓“半调节型”隔离式DC/DC转换器将是合适的解决方案。

从输出电压调节的角度来看，半调节型隔离式DC/DC转换器介乎于未调节型和已调节型隔离式DC/DC转换器之间。与已调节型隔离式DC/DC转换器相似，半调节型隔离式DC/DC转换器也具有一个反馈电路。然而，它并不直接感测和调节输出。取而代之的是，它只检测一个与次级侧上的输出电压相似、但通常参考于初级输入电压的电压。这些方法也许不能实现与已调节型隔离式DC/DC转换器准确度相同的输出电压，但其免除了光耦合器，同时获得了相当好的输出电压调节性能。在本文中讨论的三个例子是Fly-Buck转换器、具有交叉调节输出的反激式转换器和初级侧调节(PSR)反激式转换器。