光仿真器如何提高隔离式 DCDC 转换器的可靠性和瞬态响应

在高压电源设计中，出于安全考虑，需要将高压输入与低压输出隔离。设计人员通常在变压器中使用磁隔离来进行功率传输，而光耦合器则为信号反馈提供光隔离。

隔离电源中光耦合器的主要缺点之一是其可靠性。在传统光耦合器中使用 LED 跨隔离栅传输信号会导致电流传输比随温度、正向电流和工作时间的变化而出现较大的部件间差异。光耦合器在隔离性能方面也存在缺陷，因为它们通常使用环氧树脂等弱绝缘材料，有时甚至仅使用气隙。

模拟光耦合器行为的纯硅器件(例如德州仪器 (TI) ISOM8110)可以解决这些问题，因为它去除了 LED 组件，使用了弹性隔离材料(例如二氧化硅)，并且经过了严格的认证和测试。与 IEC 60747-5-5 光耦合器标准相比，这是更严格的标准 [国际电工委员会 (IEC) 60747-17]。

光耦合器缺乏随时间和温度变化的可靠性，这意味着汽车和航天等许多领域不得不依靠初级侧调节或其他方式来调节输出。光仿真器有助于提高可靠性，并且还可以在不增加输出滤波器的情况下显着改进瞬态和环路响应。

通常，隔离电源带宽的限制因素是光耦合器的带宽。该带宽受到光耦合器极点的限制，该极点由其固有寄生电容和输出偏置电阻器形成。使用光仿真器消除了这个极点，从而在不改变输出滤波器的情况下为整个系统带来更高的带宽。

两种设计的目标都是增加整体带宽，同时仍保持 60 度的相位裕度和 10dB 的增益裕度。表 1列出了并排结果。

光耦光仿真器

带宽(kHz)8.638.2

相位裕度(度)60.267.4

增益裕度(分贝)18.711.62

表 1光耦合器与光仿真器频率响应结果。

光仿真器带宽的增加有助于使设计的整体带宽增加近四倍，同时保持相位和增益裕度。图 3突出显示了光仿真器板与光耦合器板的补偿网络的变化。如您所见，这些更改很小，只需要更改总共三个无源组件。光仿真器的另一个优点是它与大多数光耦合器引脚对引脚兼容，因此不需要为现有设计重新布局。

仅TL431并联稳压器周围的补偿元件从一种设计修改为另一种设计。除了 C19、C22 和 R20 之外，其余设计都是相同的，包括功率级组件(包括输出电容)。

由于带宽增加了四倍，我们也能够显着改善瞬态响应，而无需在输出上增加任何电容。

两次测试中的负载阶跃和转换速率相同。负载阶跃响应从光耦合器中的 –1.04V 变为光仿真器中的 –360mV，负载突降响应从 840mV 降至 260mV。在无需添加更多输出电容器的情况下，总体瞬态响应降低了 50% 以上。

光仿真器的优点

由于光仿真器比光耦合器提供了显着的带宽改进，因此设计人员可以减小输出电容器的尺寸，而不会牺牲对成本和尺寸敏感的隔离设计中的瞬态性能。

光仿真器还可以在以前无法使用光耦合器的应用(例如汽车和航天)中实现次级侧调节，从而提供比光耦合器更高的可靠性。随着带宽的增加，光仿真器可以为电源的整个环路提供更高的带宽，从而在不增加输出电容的情况下显着改善瞬态响应。对于现有设计，光仿真器与大多数光耦合器的引脚对引脚兼容性允许直接替换，只需对补偿网络进行细微调整。