两个简单的隔离电源选项，功率为 8 W 或更低

[导读]各种工业和汽车系统都使用隔离式偏置电源。大多数现有方法使用反激式或推挽式转换器来实现隔离偏置电源需要大量的设计工作，并且依赖于低漏感隔离变压器。

各种工业和汽车系统都使用隔离式偏置电源。大多数现有方法使用反激式或推挽式转换器来实现隔离偏置电源需要大量的设计工作，并且依赖于低漏感隔离变压器。

在本电源技巧中，我想介绍两种方法，它们既可以降低设计复杂性，又可以降低隔离偏置电源中的噪声耦合。一种方法适用于多个隔离输出且总输出功率高达 8 W，它使用电感器-电感器-电容器 (LLC) 拓扑以及半桥驱动器(例如 TI 的UCC25800-Q1)。第二种方法集成了隔离变压器，适用于高达 1.5 W 的功率和一个隔离输出，并使用单个集成电路 (IC)，例如 TI 的UCC14240-Q1。该器件包含电源和反馈隔离，仅需要滤波电容器和电阻分压器即可完成设计。

隔离电源的复杂性，尤其是在低功率水平下，会带来巨大的成本、尺寸和设计资源负担。最常见的低功耗拓扑是反激式转换器。传统的反激式转换器使用光耦合器将次级侧的输出电压反馈至初级侧的控制器IC。由于长期可靠性问题，低成本光耦合器不适用于要求苛刻的汽车和工业环境。即使采用闭环调节，也只有其中一个反激输出真正得到完全调节。具有初级侧调节功能的反激式转换器可消除任何光耦合器要求，例如 TI 的LM5180-Q1。然而，对低泄漏变压器的需求及其噪声和隔离挑战仍然存在。

对于大多数转换器拓扑，低泄漏变压器是跨隔离栅高效供电的关键。减少变压器漏感的方法，例如紧密耦合绕组和交错，通常会增加初级到次级的电容。该电容会传播来自隔离转换器开关本身以及隔离输出所连接的电路(例如牵引逆变器或车载充电器中的高侧开关)的噪声。这些开关可以以每纳秒超过 100 V 的速度上下摆动。此外，需要高(几千伏)增强隔离和低漏感的变压器存在巨大的成本和尺寸负担。

我在这里的重点是大约 8 W 或更低的高度隔离电源需求，其中可用的初级侧电源在 12 V DC至 24 V DC范围内。当连接到交流电源或 400V 和 800V 电池的电路中需要电源时，需要高隔离额定值(3kV 均方根 [RMS] 或更高)来满足安全隔离要求。应用示例包括电动汽车和牵引逆变器的车载充电器中的隔离偏置电源，这些电源通常需要大约 +15 V 来快速开启开关，大约需要 –5 V 来快速关断开关，其回路连接到发射极或电源大功率开关。

一个 IC 可实现多个输出且功率高达 8 W：UCC25800-Q1

LLC 拓扑无需反馈即可实现隔离输出电压的良好负载调节。这种拓扑实际上利用变压器的漏感来提供软开关，并大大降低主开关管的开关损耗。事实上，漏感对输出调节的影响可以通过耦合电容有效地调节，从而允许使用高隔离变压器，其中初级和次级位于单独的线圈架上。这导致非常低的耦合电容，以实现低系统噪声和高增强型(数千伏)隔离，以实现安全目的。软开关与耦合电容器对漏感的调谐相结合，使漏感从敌人变成了朋友。

这种方法确实需要稳定的输入直流电压来供电，以避免二次侧调节的需要。使用双开关半桥(用于此处所需的低功率水平)，将输入电压二分之一的方波施加到变压器初级。对于汽车应用，通常有 12 V 或 24 V 的稳压直流电压用于其他目的。如果需要预稳压器，一个简单的单端初级电感转换器将提供稳压的 15V 或 24V 输入电源。这种预调节器的设计负担通常远小于抑制低泄漏反激变压器引起的系统噪声的挑战。

已发布的 UCC25800-Q1 设计示例包括“用于牵引逆变器应用的预调节隔离式驱动器偏置电源参考设计”：四个输出，30V 时总功率为 6 W(如图 1和图 2所示)以及“隔离式 IGBT 和适用于牵引逆变器应用的 SiC 驱动器偏置电源参考设计”，+16V/–5V，最大关闭电压为 24V，输出功率为 6.6W。绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 驱动器参考设计中使用的变压器的初级到初级的典型值仅为 1.3pF。次级电容，而类似功率的反激变压器的典型值为 20pF。电容减少了 10 倍以上，意味着系统中的噪声传播至少减少了 20 dB。唯一的初级和次级接口是变压器。

图 1来自预稳压参考设计原理图 — 隔离式四输出转换器。

图 2预稳压参考设计组装板，包括来自 6 V IN 的升压电路。

对于最大负载的 10% 至 100% 的负载，四个输出的输出调节范围为 16.25 V 至 17.27 V。

当您需要低于 2 W 的隔离电源时，一种更简单的方法：UCC14240-Q1

一种更简单的方法是使用独立的隔离转换器 IC，它集成了变压器和次级到初级的反馈，仅需要输入/输出电容器和分压器来设置正输出和负输出。功率级包括初级侧全桥、初级到次级电容约为 3.5 pF 的极低隔离变压器，以最大程度地减少系统噪声耦合，以及全桥输出整流器。选择 13 MHz 的开关频率既可以实现低初级到次级电容，又可以很好地消除其自身的开关噪声，使其远离汽车应用中任何需要关注的频段。 IC 的内部反馈允许输入电压与标称电压的变化超过 ±10%，但仍能提供良好调节的正电压和负电压，误差在标称输出的 1.3% 以内。该 IC 表明拓扑复杂性(完全包含在 IC 内部)并不是设计负担。

UCC14240-Q1 采用 21 V IN至 27 V IN工作电压，面向牵引逆变器、车载充电器和电机控制中的 IGBT 和 SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极驱动应用，典型正电压为 +15 V打开器件，并使用 –5V 的典型负电压关闭器件。不过，在 18V 至 25V 的总电压范围内，也允许使用其他正负电压组合。

图 3、图 4和图 5显示了一个独立的高隔离示例，其中计划采用 3,000V RMS隔离，作为“ SPI 可编程栅极驱动器和偏置电源参考设计”的一部分。 U1 是实际的 DC/DC 隔离电源，U3 是智能隔离栅极驱动器，U2 以及 Q1 和 L1 是汽车电池直流转换器。请注意 8 毫米的初级到次级隔离谷。