无光耦解决方案如何帮助应对隔离式DC-DC设计挑战？

简介

出于安全原因或为了确保复杂系统正常工作，我们有时需要使用隔离式DC-DC解决方案。传统的隔离解决方案会使用光耦合器和附加电路，或者复杂的变压器设计，以形成跨越隔离栅的反馈环路，从而调节输出电压。各种附加元件使设计变得复杂而庞大。光耦合器会随着时间的推移而退化，降低系统的可靠性。此外，终端设备的外形尺寸越来越小，给电源所留的空间很有限，增加了散热管理的难题。在开始新的隔离式DC-DC设计时，系统工程师必须解决所有这些难题。系统工程师需要一种体积小、成本低、高度可靠且易于设计的解决方案。现在，您可以使用无光耦解决方案简化设计并缩小解决方案尺寸。

在什么情况下使用隔离式DC-DC转换器？为什么？

各行各业（比如工厂自动化、楼宇自动化、电动汽车、汽车电子、航空电子、医疗设备、商业设备等）中的许多电力系统都会采用隔离式DC-DC转换器，原因有三：

安全：防止浪涌电流损坏设备并防止人员受到主电源的伤害。图1显示了一个主电源与次级隔离的电力系统，其中操作人员可能会接触到次级。如果没有适当的安全隔离措施，发生雷击时，极高的浪涌电压可能会通过设备冲击操作人员和地面。其后果几乎是致命的。此处的隔离栅可以将危险的浪涌能量引回主接地，防止其流向操作人员。

图1.安全隔离。

避免形成接地环路：在大型或复杂系统中，不同区域会存在接地电位差。此处通过隔离来避免形成破坏性的接地环路，并将数字噪声与精密模拟系统隔离。

图2.通过隔离避免形成接地环路。

电平转换：有时，许多电源轨混合组成的系统会使用隔离式DC-DC转换来生成多个隔离正向和/或负向输出电压。

图3.电平转换隔离。

隔离式DC-DC转换器基本原理

图4显示了一个传统的隔离式DC-DC转换器。该解决方案使用光耦合器、误差放大器和基准电压源来构成一个跨越隔离栅的反馈环路。在此实现方案中，输出电压通过误差放大器进行检测，然后将其与基准电压进行比较。信息通过光耦合器传送到隔离栅另一侧的主面，主面的控制电路对功率级进行调制以调节输出电压。

图4.使用光耦合器和相关反馈电路的传统隔离式DC-DC转换器。

这种解决方案一直都能很好地发挥其作用，但随着设备尺寸逐渐缩小，导致其几乎没有容身之地。光耦合器、误差放大器和基准电压电路共有12个元件，大大增加了总设计元件数，并占用很大的电路板空间（图5）。大家自然**能省去这种电路。

图5.使用光耦合器、误差放大器和基准电压源的传统反馈电路。

光耦合器还面临另一个大问题：其性能会随温度变化，并随着时间推移而下降，从而导致某些应用出现可靠性问题。图6显示了典型光耦合器的电流传输比(CTR)，在-60°C至+120°C温度范围内其变化率达270%1。除此之外，此CTR还会随着时间的推移下降30%至40%2,3,4。

图6.光耦合器集电极电流与环境温度的关系。1

省去光耦合器

主面控制拓扑：有一种省去光耦合器的方式是采用主面控制法。在此方案中，电源隔离变压器上的第三绕组用于在"关断"周期内间接测量输出电压。图7显示了这种电路。反射电压VW与输出电压成正比，公式如下：

其中VO是输出电压，VF是输出整流二极管压降，Na是第三绕组匝数，NS是次级绕组匝数。

图7.使用第三绕组的主面控制。

虽然这种方法可以有效地省去光耦合器，但却产生了一系列新问题：

(a) 添加第三绕组会使变压器的设计和构造更复杂，增加更多成本。

(b) 反射电压与输出整流二极管电压VF相关。此外，VF会随负载和温度而变化。这会导致检测的输出电压出现误差。

(c) VW上的漏感振铃会进一步增加检测输出电压的读数误差。

这种主面控制法提供的输出电压调节性能不佳，因此在许多应用中并不实用，迫使设计人员使用后置稳压器，这会增加更多成本，并增大总体解决方案的尺寸。

无光耦反激式拓扑：无光耦反激式DC-DC转换器是主面控制法的一种变化形式。这种方式通过直接检测主面电压避免了上述问题(a)，所以无需使用电源变压器中的第三绕组。这一改进显著降低了变压器设计和构造的复杂性，并且简化了PCB布局。图8描述了这种拓扑。

图8.无光耦反激式电路。

反射电压VP与输出电压成正比，公式如下：

其中VO是输出电压，VF是输出整流二极管压降，NP是初级绕组匝数，NS是次级绕组匝数。

无光耦反激式拓扑结构并不新鲜，而它仍然受困于上述其他两个问题(b)和(c)。此例中(c)对应的不是VW，而是VP上的漏感振铃。对于这种无光耦反激式电路，输出电压调节性能不佳仍然是严峻的技术挑战。

所幸，近来的电路设计发展和专有技术有效地改善了这一瓶颈问题。我们来仔细看看！

克服输出电压调节不佳的问题

图9显示了MAX17690，它提供一种无光耦反激隔离式DC-DC转换器解决方案，输出电压调节精度达±5%

图9.无光耦反激式电路实现新的输出电压调节基准。

为了消除检测输出电压的读数误差，MAX17690在次级电流ISEC较低时对反射电压进行采样。找元件現貨上唯樣商城。此技术可减缓由输出负载引起的二极管压降变化。这款IC还具有补偿二极管电压及其随温度变化的功能。另外还采用先进技术来滤除漏感振铃。总之，这款IC为无光耦反激式拓扑带来了新的输出电压调节基准。

图10显示的变体MAX17691还集成了功率FET和电流检测元件，因此仅需极少外部元件即可构建完整电路。它以一种非常简单的形式提供了高性能的隔离式DC-DC转换器解决方案。

图10.高度集成的无光耦反激式解决方案。

MAX17690和MAX17691都能实现很好的输出电压调节。图11显示了它们在不同温度、线路和负载条件下的性能。

图11.MAX17690/MAX17691输出电压调节。新基准！

结论

设备和电路板空间越来越小，导致使用光耦合器构建反馈环路的传统大尺寸隔离式DC-DC转换器逐渐失去其实用价值。此外还有另一道阻碍，光耦合器的性能会随温度变化并随着时间的推移而下降。无光耦反激式拓扑更简单，需要的外部元件更少，自然是更好的选择。设计技术的创新改进显著提高了输出电压调节性能，使无光耦反激式DC-DC转换器具有实用性，成为隔离电源应用的正确选择。