突破光耦合的温度限制 ，实现功率密度非常高的紧凑型电源设计

在现代电子设备的发展进程中，电气隔离电源发挥着关键作用。从工业自动化系统到消费类电子产品，从医疗设备到通信基站，电气隔离电源无处不在，确保设备的安全运行和稳定供电。而在电气隔离电源的架构里，确定电气隔离控制器 IC 在初级或次级哪一端导通是首要任务。若其位于次级端，就必须借助电气隔离手段，实现对初级端电源开关的精准控制。

在传统的电气隔离电源设计中，光耦合器(或光隔离器)作为信号传输的关键元件，被广泛应用。无论是初级端的控制器，还是次级端的控制器，都依赖光耦合器来跨越电气隔离，构建信号传输的通道。然而，光耦合器并非完美无缺，它存在着诸多限制。其额定温度通常仅能达到 85°C，这在一些高温环境的应用场景中，成为了制约电源性能的瓶颈。随着时间的推移，光耦合器的电流传输比(CTR)会发生变化，这意味着在电路的整个使用寿命期间，其传输行为会不稳定，影响电源的正常工作。而且，光耦合器需要搭配其他元件进行控制，这不仅增加了电路的复杂性，还提高了成本。使用光耦合器的隔离式电源，反馈环路速度往往较慢，难以满足对电源响应速度要求较高的应用需求。

面对这些挑战，近年来行业内涌现出了一系列创新解决方案。反激式控制器便是其中之一，它在需要对电源电压进行电气隔离，且输出功率低于 60W 的应用场景中得到了广泛应用。与传统方式不同，反激式控制器并不直接测量输出电压，而是通过监测初级端变压器绕组两端的电压，来获取有关实际输出电压的准确判据。其调节精度取决于应用的常用条件，包括输入和输出电压、负载变化以及电压变化等因素。在许多实际应用中，±10% 至 ±15% 的调节精度已能满足需求。例如，凌力尔特公司的 LT8301，由于集成了电源开关，并采用 SOT23 封装，该 IC 仅需极少的外部元件，极大地简化了电路设计。电路的隔离击穿电压仅取决于所用变压器，这为设计提供了极大的灵活性，尤其是在对隔离电压要求极高的情况下。

对于那些对输出电压控制精度有更高要求的应用，ADI 公司推出的反激式控制器 ADP1071 则是一个极具吸引力的解决方案。ADP1071 内部集成了初级端控制器、可提高转换效率的次级端有源整流控制器，以及完全集成式反馈路径。通过这一创新设计，它能够实现非常快速的反馈环路，使输出电压调节极为准确且迅速，即使在负载瞬变很大的情况下也能保持稳定。该芯片的一大优势是可允许的工作温度高达 125°C 硅片温度，有效突破了光耦合器 85°C 工作温度的限制。其最大隔离电压取决于所选变压器以及开关稳压器 IC 采用的隔离技术，芯片自身的最大隔离电压为 5kV，已申请符合 VDEV0884 - 10 的增强绝缘分类等级。

除了上述反激式控制器相关的解决方案，氮化镓(GaN)技术的兴起也为实现高功率密度的紧凑型电源设计带来了新的契机。GaN 作为一种宽带隙半导体材料，与传统的硅材料相比，具有诸多显著优势。它具有低 “导通” 电阻、高击穿强度、快速开关速度和高热导率等特性。使用氮化镓代替硅，可以制造出在开启和关闭期间具有更低开关损耗的开关，并且在既定芯片尺寸下，氮化镓功率开关具有更低的综合传导损耗和开关损耗。然而，氮化镓开关的驱动相对复杂，其快速开关速度会带来杂散电感和电容以及高频振荡等问题，这些问题会产生更多的电磁干扰(EMI)，需要精心设计电路来解决，这无疑增加了开发的时间和成本。为了克服这些难题，一些高度集成的离线反激式转换开关 IC 应运而生，如 Power Integrations 的准谐振 InnoSwitch3 - CP、InnoSwitch3 - EP 和 InnoSwitch3 - Pro PowiGaN 转换开关 IC。这些 IC 将初级、次级和反馈电路集成在一个单一表面贴装器件(SMD)InSOP - 24D 封装中，内部采用了 Power Integrations 内部开发的 GaN 电源开关技术，取代了传统的硅晶体管。这种集成化设计减少了驱动器布局的复杂性和 EMI 的产生，同时降低了传导和开关损耗，使得适配器、充电器以及开放式框架电源能够实现更高的效率、更轻的重量和更小的尺寸。

在实际应用中，不同的场景对电源设计有着不同的需求。对于电池充电等应用，InnoSwitch3 - CP 较为适用，它可以从恒定的功率曲线中受益;InnoSwitch3 - EP 则适用于一系列消费和工业应用中的开放式 AC - DC 电源;而 InnoSwitch3 - Pro 器件由于包含一个 I²C 数字接口，可实现恒压(CV)和恒流(CC)设定点、安全模式选项和异常处理的软件控制，适用于对输出电流和电压调整需要精细控制的应用，如多化学和多协议电池充电器、可调 CV 和 CC LED 镇流器、高效 USB PD 3.0 + 可编程电源(PPS)、QC 适配器等。这些 IC 在整个负载范围内效率高达 95%，支持精确 CV、CC 和恒定功率(CP)输出，包含无损电流感应技术，消除了对降低效率的外部电流感应电阻的需求。同时，它们还具备二次侧感应、专用同步整流 MOSFET 驱动器、一次侧和二次侧控制器间的集成 FluxLink 电感耦合反馈连接、>4,000 伏交流电(VAC)的隔离、符合全球能效要求、低 EMI、符合安全和法规(UL1577 和 TUV(EN60950 和 EN62368)安全认证)以及 100% 载荷步的瞬态响应等特性。

为了进一步提高 AC - DC 电源的性能，减少元件数量，实现更高的功率密度设计，使用 InnoSwitch3 PowiGaN IC 的设计人员还可以搭配互补的 MinE - CAP 大容量电容器小型化和浪涌管理 IC。MinE - CAP 能够将输入大容量电容器的体积最高减少 50%，并且无需限制浪涌电流的负温度系数(NTC)热敏电阻，降低了输入桥式整流器和熔断器的压力，提高了电源的可靠性。它根据交流线路电压条件，自动连接和断开大容量电容器网络的各个部分，让设计者能够使用最小的大容量电容器。

以数据中心为例，随着数据量的爆发式增长和服务器计算能力的不断提升，对电源的功率密度和效率提出了极高的要求。传统的电源设计由于受到光耦合器温度限制等因素的影响，难以满足数据中心紧凑空间内高功率供电的需求。而采用上述突破光耦合温度限制的新型电源设计方案，如基于 ADP1071 的反激式控制器或集成氮化镓技术的 IC，可以在有限的空间内实现更高的功率输出，降低能源损耗，提高散热效率，从而为数据中心的稳定运行提供可靠的电力保障。在工业自动化领域，高温、高湿度等恶劣环境较为常见，传统光耦合器的温度限制使其在这些环境下的可靠性大打折扣。新型电源设计方案凭借其更高的工作温度范围和稳定的性能，能够更好地适应工业自动化场景，确保设备在恶劣环境下的正常运行，提高生产效率。

综上所述，突破光耦合的温度限制，采用如新型反激式控制器、氮化镓技术集成 IC 等创新方案，为实现功率密度非常高的紧凑型电源设计开辟了新的道路。这些新技术、新方案不仅能够满足当前各类电子设备对电源高性能、小尺寸、高可靠性的需求，还将推动电子设备向更轻薄、更高效、更智能的方向发展，在工业、通信、消费电子、医疗等众多领域展现出广阔的应用前景，引领电源设计技术的新一轮变革。