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穿过隔离栅供电:认识隔离式直流 直流偏置电源
时间:2021-05-10 09:17

  电子设计人员使用的工具箱日新月异。要找到适合工作的工具,不仅需要了解手头上的任务和现有工具,还要知道如何充分利用这些工具。

  对于设计人员来说,在隔离栅内移动信号和电源是一项常见的挑战。为了提高安全性和抗噪性能,或产生较大的电势差, 可能需要在不同的系统域之间进行隔离。

  在工厂机器人等其他应用中,敏感控制电路单独接地,并与产生较大直流电流、噪声和接地反弹的电机隔离。

  通常在整个隔离栅中进行通信和感应。具有控制器局域网 (CAN) 或CAN灵活数据速率 (FD) 协议通信的汽车应用,通过集成了隔离组件和收发器组件的隔离式CAN收发器,可将这类信号与汽车的高压侧隔离。工业应用也可以使用 CAN 协议和 RS-485 协议实现长距离串行通信。与隔离 CAN 和 CANFD信号类似,设计人员可使用专为 RS-485 协议设计的隔离式收发器。保护继电器使用隔离式电流和电压传感器感应整个电网中的电力输送。牵引逆变器和电机驱动器接收电机控制器发出的脉宽调制信号,然后信号经过隔离器向栅极驱动器发出开启或关闭绝缘栅双极晶体管的指令。

  通过提供从隔离栅一侧到另一侧的偏置电源,隔离式偏置转换器可实现隔离通信和感应。电流和电压传感器、数字隔离器和栅极驱动器通常需要 15W 以下甚至低至几十毫瓦的电源。图 1 所示为上述每种应用的示例。

  无论是具有外部电源开关的控制器、将一个控制器与多个电源开关集成的转换器,还是将多个控制器、电源开关和变压器集成为一体的电源模块,都有许多可提供隔离式偏置电源的解决方案。由于偏置电源解决方案种类广泛,涉及的应用也是多种多样,为了以超低成本符合各类规范,全面了解各种应用要求是非常重要的。

  设计人员至少应了解偏置电源输入电压范围、输出电压和输出功率要求。一些应用将需要多个偏置电压,因此确定每个输出的可接受调节范围至关重要。隔离等级、环境工作温度范围、电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC) 等系统要求会进一步驱动设计决策。表 1 从极为广泛的角度展示了隔离式偏置转换器的四种示例规范。

  反激式转换器是一种众所周知的拓扑结构,数十年来应用广泛。这种电源转换器具有灵活性和低成本等特点,可用于多种 应用。凭借集成场效应晶体管 (FET) 和初级侧控制等增强功能,这种拓扑结构更加备受瞩目。

  与正激、推挽和半桥等降压拓扑相比,反激拓扑仅需要一个初级开关、一个整流器和一个类似变压器的耦合电感器。 图 2 所示为转换器的简化原理图。初级开关打开时, 入电压则施加在初级绕组上,在变压器气隙内储存能量。在这种情况下,仅输出电容器给输出负载供电。初级开关关闭时,储存在变压器中的能量则通过整流器输送到次级侧,为负载和输出电容器供电。

  反激式转换器完全可用作偏置转换器,原因如下:反激式转换器能在一个转换级内实现调节和隔离,也可灵活用于多个输出。您可选择输出绕组数量,然后在变压器上缠绕线圈,来匹配您所选的配置。输出绕组电压是占空比与初级绕组和次级绕组匝数比的函数。也可以将每一输出端作为不同的接地基准点,从而满足系统隔离要求。反激式转换器的其他优势包括成本相对较低、具有宽的输入输出工作电压范围。

  为了实现最佳性能,应对反激式变压器进行合理设计。变压器应良好耦合且漏感低,从而提高效率、实现最优调节,尤其是在多输出的情况下。此外,还有必要限制初级侧与次级侧间的寄生电容,从而防止产生过多的电磁干扰 (EMI)。

  Fly-Buck 转换器是德州仪器 (TI) 用于搭建隔离式偏置电源的专用拓扑,其工作输入电压可高达 100V。

  与反激式转换器一样,金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 通常集成在集成电路 (IC) 中,可轻松实现初级侧控制。 图 3 所示为 Fly-Buck转换器。此拓扑采用同步降压转换器与耦合电感器,可产生一个或多个隔离式输出。高侧开关打开时,初级侧作为降压转换器运行,而次级绕组电流为零。高侧开关关闭且低侧开关打开时,初级侧利用其储存的能量对次级侧供电。

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