采用隔离降压拓扑结构建立工业应用隔离电源

简介

工业电源应用一般需要高输入电压。标准电压为24 V、36 V和48 V。用于工业应用电源电路的DC/DC步降(降压)开关稳压控制器需要满足噪声、电涌和断电环境下稳定可靠的性能要求。

工业系统电源要求通常相当复杂，往往需要通过电流隔离满足安全标准，并抑制噪声敏感应用接地环路干扰。

例如，PLC和I/O模块等新型工厂自动化系统中，不断增加I/O通道数量提高感测精度。因此，不同电压之间隔离是数/模信号隔离或通道间隔离，防止公共接地噪声干扰的首选。

采用反激式电源转换器生成偏压电源所需各种电压是实现这类隔离电源的传统方法。反激式设计一般采用变压器初级和次级线圈不对称匝数比，以及光电耦合器和用于反馈调节的基准或辅助绕组。此外，反激式转换器需要精心设计补偿电路以保证稳定性，从而造成设计过程繁琐，大量元器件构成的解决方案体积庞大，成本高。

本文介绍一种更简便的方法不采用反激式拓扑结构实现隔离电压。

隔离式同步降压转换器

隔离式降压转换器采用带有耦合电感线圈的同步降压转换器生成隔离输出(见图1)。由于变压器初级和次级匝数比更加匹配，采用这种拓扑结构的隔离式转换器可利用体积更小的变压器实现等效能量传输。由于次级输出与初级调节输出电压紧密相符，因此不需要光耦合器或辅助绕组，有助于减小解决方案尺寸并降低成本。

图 1. 生成两路输出的隔离式降压转换器

这种拓扑结构具有以下优点：

· 便于生成正负隔离电源

· 初级侧电源可为负载供电，不必与VIN隔离

· 与传统反激式方法相比设计更加简单

· 解决方案组件数量比传统反激式拓扑结构少，尺寸更小

为展示这种电源设计的简易性，我们以SiC462为例，该器件是6 A系列全集成同步降压稳压器中的一款产品。由于出色的硅片(MOSFET和驱动器)和封装设计技术，这些器件具有很高的功率转换效率和功率密度，并减小寄生效应。

根据型号，本系列中使用的功率级可提供3 A至10 A连续电流。输出电压可在0.8 V至0.9 * Vin之间调节，输入范围4.5 V至60 V。这些器件具有丰富的功能，如多种输出工作电流极低的省电模式、可调工作频率、快速瞬态响应、逐周电流限制、可调电流限制、过压保护(OVP)、过温保护(OTP)、欠压保护(UVP)、电源良好信号正常、跟踪、排序、最小工作频率25 kHz，以避免可闻噪声的超声模式、软启动等，输入输出采用全陶瓷电容解决方案。这种灵活性便于我们设计生成两路输出，单路隔离，具有良好调节输出的电源。

这种设计的基本要求如下：

· Vin: 32 V至56 V

· Vout: 2 A时为12 V，1A时为隔离5 V(称为Iso +5)

· 最小负载：满载值的10%

该设计基于双绕组电感降压稳压器。电感“反激”电路用于生成另一路输出。这是一种连续反激式设计，SiC462始终以全同步模式工作，即使无负载条件下。这是因为稳压器具有“模式”选择功能。这种功能允许在不同模式下工作，取决于具体要求。两种工作模式：“节电”模式，这种情况下稳压器进入深度不连续工作，能量每秒只传送到输出端几次，而“连续模式”则在每个开关周期传送能量。轻载连续工作效率不高;不过，这种工作模式可以改善瞬态响应，并且可在轻载或零负载条件下增加反激绕组。

图3中，电感器L1由高温粉末环形磁芯组成，“初级”和“次级”双线绕组分别为24圈和16圈。这个电感器是专门为这个项目设计的(非标)，并且是在我们的实验室中搭建的。由于稳压器主环路控制电压Vout，因此低边开关导通时，电感器两端电压保持恒定，如图2A所示。

图 2A. MOSFET导通时常规降压转换器工作状态

图 2B.“反激式变压器”取代电感器

如图2B所示，当低边开关导通时，电路变为简单的半调节反激电路。初级绕组为24圈，电压为12 V / 24圈= 0.5 V每圈。

根据反激绕组，16圈x 0.5 V每圈= 8 V。图3中考虑到二极管D1下降0.65 V，我们得出的结果为7.35 V。此外，绕组DCR和反激式变压器耦合系数也产生压降。因此所得结果约为6.5V。注意，L1旁边的“蓝点”表示图2B和图3中绕组的相位。现在，我们使用“反激式变压器”与“电感器”互换。

从下面性能特征可以看出(见图6A和6B)，这种设计中输入电容应力大大增加。由于存在漏感，反激输出端使用的二极管D1两端需要加一个由C27和R17组成的缓冲电路。LX节点到电源地需要加一个由C17和R8组成的缓冲电路，以限制SiC462受到器件寄生效应产生的电压峰值的影响。

图 3. 双输出稳压器电路图

反激绕组对电路工作的作用是使电感低于标称值。以下是示波器显示的各种波形(电路网参见图3，波形描述参见图5)。

· CH1，黄色：电感电流;电感至Lx节点电流

· Ch2，蓝色：Lx节点对地电压

· Ch4，绿色：5 V回路与D1阳极之间反激绕组电压(L1 16圈绕组两端)

以下是显示电路工作状态的部分示例波形。

图 4. 45 Vin 处Iso +5无载，主 +12 0.2 A时的波形

图4所示为连续电流模式下“正常”降压波形。平均电流为0.2 A。

现在，我们增加+12输出(主绕组)电流，仅使+5 Iso负载电流为零：

图 5. 45 Vin 处Iso +5无载，主 +12 2 A时的波形

上面图5中，L1主绕组峰间电流保持不变，但平均电流增加。

现在，我们增加+5 Iso负载，而将主绕组电流降至零来增加反激绕组电流：

图 6. 45 Vin 处Iso +5满载(1 A)，主 +12 0.2 A时的波形

如图4至图6所示，反激电压(C16两端电压)在各种工作条件要求下基本不变。

图 6A. 45 Vin 处Iso +5为0A负载，+12为2A负载 图 6B. 45 Vin 处Iso +5为1A负载，+12为2A负载

图6A和6B中，我们用洋红线表示高边开关峰值电流，它们与输入电容的纹波电流相同。注意，当载入5V时，两个图中相同工作点电流峰值显著提高。为这种应用以及针对任何电磁兼容性(EMC)要求选择输入电容时，必须考虑这种增加的纹波电流。

如图7所示，输入电压范围内效率曲线非常平坦。

图 7. 输入电压和负载范围内效率曲线(包括次级开关稳压器U10)

如图8所示，主 + 12V输出各种负载条件下线性调整非常出色

图 8. 各种输出负载和线路电压条件下主 + 12V输出电压调整

反激绕组C18两端DC输出电压没有得到很好调节。32至56V输入范围内可实现约10%线性调整。但是，如果输入总线Vin范围不如本设计例宽，实现3-4%线性调整对于应用目的来说是比较合理的。如果线性调整要求更严格，或者在更宽的输入电压范围内需要更好的性能，可以使用开关稳压器(图2中的U10)抑或线性稳压器。

结语

随着需要多个隔离电压、浮动偏置电压和负输出电压，PLC和I/O模块电源设计变得十分复杂。PLC广泛用于工厂自动化、楼宇自动化和流程控制。栅极驱动器、运算放大器和隔离通信界面，如RS-485、RS-232等，对不同隔离电源的要求需要更简单的方法生成这些电压，同时满足减少元件数量、缩小PCB尺寸以及低高度紧凑设计的要求。

这种模拟板设计是SiC462等高压系列降压稳压器的推出实现新型设计的一个例子。