nfa状态转换图正规式_穿过隔离栅供电：认识隔离式直流/ 直流偏置电源

对于设计师来说，移动信号和电源是隔离栅中常见的挑战。为了提高安全性和抗噪声性能，或产生较大的电位差，可能需要在不同的系统域之间进行隔离。例如，手机充电器可以防止用户在连接器短路时触电。

敏感控制电路在工厂机器人等其他应用中单独接地，并与产生大直流电流、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。控制器局域网 (CAN) 或 CAN 灵活数据速率 (FD) 协议通信成隔离组件和收发器组件的隔离 协议通信汽车应用CAN 收发器可以将这种信号与汽车的高压侧隔离。 也可用于工业应用CAN 协议和 RS-485 协议实现长 串行通信。与隔离 CAN 和 CAN FD 信号相似，设计师 可专门使用 RS-485 协议设计的隔离接收器。保护继电器使用 隔离电流和电压传感器来感应整个电网中的 电力传输。牵引逆变器和电机驱动器接收电机控制器发出的脉宽调节信号，然后信号通过隔离器向栅极驱动器发出 或关闭绝缘栅双极晶体管的指令。隔离偏置转换器可以通过提供从隔离栅一侧到另一侧的偏置电源来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 以下电源甚至低至几十毫瓦。图 1 为上述每个应用的示例。

隔离直流/直流偏置电源要求有许多解决方案可以提供隔离偏置电源，无论是具有外部电源开关的控制器、集成一个控制器和多个电源开关的转换器，还是集成多个控制器、电源开关和变压器的电源模块。由于偏置电源 解决方案种类繁多，涉及各种应用。为了以超低成本满足各种规范，充分了解各种应用要求非常重要。

设计师应至少了解偏置电源的输入电压范围、输出电压和输出功率要求。有些应用程序需要多个偏置电压，因此确定每个输出 的可接受调整范围非常重要。隔离等级、环境工作温度范围、电 磁干扰 (EMI) 与电磁兼容性 (EMC) 等系统需要进一步驱动 设计决策。表 1 从非常广泛的角度展示了隔离偏置转换器 的四个示例规范。让我们来看看隔离偏置电源拓扑的一些示例。

反激式

反向转换器是一种著名的拓扑结构，几十年来得到了广泛的应用。该电源转换器具有灵活性和低成本的特点，可用于各种 应用。集成场效应晶体管 (FET) 和主侧控制等增强功能 ，这种拓扑结构更引人注目。反向拓扑只需要一个初级 开关、一个整流器和一个类似变压器的耦合电感器，而不是正向、推拉和半桥等降压拓扑。图 2 显示了转换器的简化原理图。当初级开关打开时，输入电压应用于初级绕组，并在变压器间隙中储存能量。在 这种情况下，只有输出电容器才能为输出负载供电。当主开关关闭 时，储存在变压器中的能量通过整流器输送到次级侧，为负 负载和输出电容器供电。

反向转换器可完全用作偏置转换器，原因如下：反向转换 可以在一个转换级中进行调整和隔离，也可以灵活地用于多个输出 。您可以选择输出绕组的数量，然后将线圈缠绕在变压器上，以匹配您选择的配置。输出绕组电压是空比与初级绕组和次级 绕组匝数比之间的函数。每个输出端也可以作为不同的接地基 准点，以满足系统隔离的要求。反向转换器的其他优点包括 成本相对较低，输入输出工作电压范围较宽。为了实现最佳性能，应合理设计反向变压器。变压器 应耦合良好，泄漏感低，以提高效率，实现最佳调整，特别是在多输出的情况下。此外，有必要限制 寄生电容在主侧和次侧之间，以防止过度的电磁干扰 (EMI)。

Fly-Buck? 转换器

Fly-Buck 转换器是德州仪器 (TI) 专用拓扑用于建造隔离偏置电源 ，其工作输入电压可高达 100V。金属氧化物半导体场效应晶体管 与反激转换器一样(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。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输出。当高侧开关 打开时，初级侧作为降压转换器运行，次级绕组电流为零。当高侧开关关闭并打开低侧开关时，初级侧使用其储存的能量 向次级侧供电。

Fly-Buck 转换器拓扑很受欢迎。由于反馈环可以在主输出电压下关闭，转换器不需要额外的辅助绕组或光耦合器 来控制。耦合电感结构灵活，匝数比、隔离等级、次绕组 和 PWM 占空比可控，适用于各种应用。与反向转换器一样，耦合电感器也必须合理设计。注意控制主侧和次侧之间的泄漏感和寄生电容。需要 100V您可以使用具有上述输入的外部 MOSFET 的 Fly-Buck 转换器。

滑动变压器驱动 滑动变压器驱动是一种常用的解决方案，适用于低噪声和小型隔离电源。它由具有严格电压调节功能的输入轨道供电，开环运行 运行，固定比例 50%。MOSFET 集成到 IC 中，可实现紧凑的 磁解决方案。

图片 4 为推挽式拓扑。推挽式拓扑是一种正激式双端拓扑，有 两个 MOSFET 作为接地基准，因此无需外部自举电路。与单 端正激式转换器类似，FET 的电压应力是输入电压的两倍。MOSFET 每半个周期切换一次，占 50%，驱动变 压器有中间抽头绕组。

推拉式变压器驱动器是一种常见的隔离偏置电源解决方案 ，原因如下：灵活，可支持多路输出；其开环配置 消除了反馈环，从而简化了设计。推拉式变压器具有较低的 初级-次级电容、反向和 Fly-Buck 转换器可以降低 模的噪声。此外，推拉式拓扑可以更有效地利用变压器芯的磁化 电流，从而实现比反向和 Fly-Buck 转换器较小的磁解决方案。

尽管变压器驱动器具有许多优点，但也应注意权衡利弊。与反 激式和 Fly-Buck 转换器不同，变压器驱动器不支持宽输入电压范围，因此需要严格调整输入电压。由于没有闭环， 不容易满足输出电压反馈调整的要求，可能需要低压降后 稳压器 (LDO)。电源模块 电压模块有几十年的发展历史。这种解决方案非常普遍。与 分立实施模式相比，集成度可显著提高。电源模块种类繁多，可提供输入电压、输出电压、输出功率、输出量、隔离等级和调整选项。 5 显示了电源模块内部运行的方框图。拓扑包括变压 驱动器，类似于分立式拓扑。有些设备可能集成一个输出 LDO 用于调整。

电源模块提供多种选项，可用于大多数隔离偏置转换器 应用。设计过程可以大大简化，因为您不需要规定、设计或选择变压器；只需添加输入和输出去耦电容器即可开始设计。 还提供其他选项，如同步、输出电压选择、能量使用和错误信令。当您使用输出量和变压器匝数比的特殊配置模块时，可能会降低 的灵活性。额定环境温度为 125°C与 相比，55°C 和 85°C 选项模块更受欢迎。同样，完全增 强隔离的模块数量也不如功能或基本隔离的模块。

下一代偏置解决方案

变压器设计创新和更高频率的拓扑允许 IC 设计师将变压 和硅芯片集成到 IC 中间。终端用户可以获得小型轻量级隔离直流/ 直流偏置电源，无需设计变压器或降低系统性能。图 6 显示德州仪器 (TI) 偏置电源的方框图。UCC12050.尽管 UCC12050 看起来类似于集成功率级和整 流器的电源模块，但研究 UCC12050 运行后，发现 开关频率远高于电源模块。与其他开关频率较低的电源相比，UCC12050 的高度和重量显著降低。使用内部拓扑控制方案，无需 LDO 或外部反馈 组件可实现闭环运行。

UCC12050 为各种隔离式直流/直流偏置电源应用带来很多 优势。其设计使用 EMI 优化型变压器，初级侧与次级侧之间 的电容仅为 3.5pF，采用噪声控制方案。无需铁氧体磁珠或 LDO，双层 PCB 解决方案本身即符合 CISPR32 B 类标准。该 器件性能强劲，增强型隔离额定值为 5kVrms，额定工作电压 为 1.2kVrms，可在 125°C 环境温度下运行。该器件系列还包 括 UCC12040，其基本隔离额定值为 3kVrms，额定工作电压 为 800Vrms。 UCC12050 专用于 5V 输入、3.3V 至 5.4V 输出、功率为 500mW 的应用。要求更高输入或输出电压的应用将需要前 置或后置转换功能。此外，对于要求功率在 UCC12050 降额 曲线以上的设计，应了解替代拓扑。

表 2 对上述各种拓扑进行了比较。 很明显，具有外部变压器 的拓扑能带来最大的灵活性，而电源模块和 UCC12050 简 便易用。

结论

您身边有许多隔离式电源可以选择，但需要了解输出数量、调 节要求、输出功率、隔离等级、工作温度和输入电压范围等系 统级规格。为此，您可以选择这种成本最低、可满足所有系统 要求的解决方案。