通过隔离进行供电：隔离式 DCDC 偏置电源解决方案（一）

1.前言

可供电子设备设计人员使用的工具箱不断增加。要为工作选择合适的工具，我们需要充分了解工作，知道存在哪些类型的工具，以及如何充分利用它们。

确保跨隔离屏障的良好信号和电源传输是设计人员面临的共同挑战。为了安全和抗噪性，或由于系统域之间的潜在差异，隔离可能是必要的。例如，手机充电器内部是绝缘的，这样用户在发生短路时不会直接接触到电。在工厂机器人等应用中，敏感的控制电路放置在单独的接地上，该接地与感应大直流电流并导致噪声和接地反弹的电机隔离。

通信和传感通常跨隔离屏障实施。使用 CAN 或 CAN FD 协议通信的汽车应用可以使用具有集成隔离功能和收发器组件的隔离式 CAN 收发器来隔离来自车辆高压侧的信号。工业应用可以使用 CAN 协议进行长距离串行通信，也可以使用 RS-485 协议。与隔离 CAN 和 CAN FD 信号类似，设计人员可以利用专为 RS-485 协议设计的隔离收发器。保护继电器使用隔离的电流和电压传感器来感应通过电网的功率。当牵引逆变器和电机驱动器接收到来自电机控制器的脉宽调制信号并将其通过绝缘体时，栅极驱动器会打开或关闭绝缘栅双极晶体管。

隔离式偏置转换器通过提供从绝缘屏障一侧到另一侧的偏置电源来实现隔离式通信和感测。电流和电压传感器、数字隔离器和栅极驱动器通常需要不到 15W 的功率，低至几十毫瓦或更少。图 1 显示了这些应用的示例。

2.隔离式 DC/DC 偏置电源要求

从带有外部电源开关的控制器到将控制器和电源开关集成在一起的转换器，再到将控制器、电源开关和变压器集成到一个封装中的最终电源模块，有多种解决方案可以提供隔离偏置电源。对于这些不同的偏置电源解决方案和各种应用，了解应用的要求以满足所需的规格并同时最大限度地降低成本非常重要。

图 1：隔离偏置应用

表 1：每种情况下所需的隔离式偏置转换器规范

设计人员必须充分了解偏置电源输入电压范围、输出电压和输出功率的要求。某些应用可能需要多个偏置电压，因此为每个应用定义适当的输出调节非常重要。绝缘等级、环境工作温度范围、EMI 和 EMC 等系统要求会影响设计决策。表 1 仅显示了无数不同的隔离偏置转换器规范中的四种作为示例。

现在让我们看一下典型的隔离式偏置电源拓扑。

反激式转换器是一种众所周知的拓扑结构，已经使用了几十年。这种电源转换器具有广泛的范围和低成本，使其可用于各种应用。随着 FET 的集成和初级侧调节 (PSR) 技术的进步，这种拓扑越来越受欢迎。

与正向、推挽和半桥等降压衍生拓扑相比，反激拓扑只需要一个初级开关、一个整流器和一个类似于变压器（变压器）的耦合电感器。图 2 显示了该转换器的示意图。当初级开关打开时，输入电压被吸入初级绕组，能量储存在变压器的气隙中。在这种状态下，输出负载仅由输出电容器供电。当初级开关关断时，储存在变压器中的能量通过整流器转移到次级开关，提供给负载并对输出电容器充电。

图 2：反激式转换器

反激式转换器适合用作偏置转换器的原因有很多。该转换器在单个转换级中提供控制和隔离。此外，由于其出色的灵活性，它对于多个输出很有用。输出绕组的数量可以根据选定的条件选择并绕在变压器上。输出绕组上的相应电压用作脉冲系数和初级与次级绕组的匝数比。每个输出还可以参考不同的接地，以满足系统隔离要求。相对较低的成本和较宽的输入和输出操作范围也是反激式的优点。

为了获得最佳性能，根据情况设计反激变压器非常重要。特别是在多路输出时，变压器必须与低漏电感很好地耦合，以实现最高效率和最佳调节。但是，为了防止过大的 EMI，需要限制从初级侧移动到次级侧时出现的寄生电容。

3.Fly-Buck™ 转换器

Fly-buck 转换器是德州仪器 (TI) 独特的拓扑结构，允许设计隔离式偏置电源。该转换器可在高达 100V 的输入电压下工作。与反激式转换器一样，MOSFET 通常集成在 IC 内部，初级侧的控制非常简单。图 3 显示了一个 Fly-buck 转换器的示意图。这种拓扑使用一个电感器与一个同步降压转换器耦合来生成一个或多个隔离输出。当高压开关打开时，初级侧就像一个降压转换器，次级绕组电流为零。当低压开关关闭时，次级侧依靠初级侧储存的能量工作。

图 3：Fly-Buck 转换器

同步降压转换器的广泛使用使 Fly-buck 转换器成为一种有吸引力的拓扑结构。在初级输出电压下，反馈环路可以关闭，无需额外的辅助绕组或光耦合器来控制转换器。耦合电感的结构具有极好的灵活性。这是因为匝数比、绝缘额定值、次级匝数和 PWM 脉冲因子可以根据各种应用进行调整。

与反激式转换器一样，必须针对这种情况设计耦合电感。在限制从初级侧移动到次级侧时出现的寄生电容的同时，管理漏电感非常重要。

对于要求输入电压高于 100V 的应用，可以使用带有外部 MOSFET 的快速降压转换器。