随着高压系统中的功率水平不断提高，设计人员需要安全地跨隔离栅传输信号和电源。
跨越隔离栅移动信号和电源是设计人员面临的常见挑战。 系统域之间的安全性、抗噪性或较大的电位差可能需要隔离。例如，手机充电器是内部隔离的，以防止在连接器短路时人体与电源电连接。 在工厂机器人等其他应用中，敏感的控制电路位于单独的接地上，并与吸收大直流电流并产生噪声和接地反弹的电机隔离。
通信和传感通常跨隔离栅实现。 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可以使用集成了隔离和收发器组件的隔离式 CAN 收发器将这些信号与汽车的高压侧隔离。 工业应用也可以使用 CAN 协议，但也可以使用 RS-485 协议进行长距离串行通信。 与隔离 CAN 和 CAN FD 信号类似，设计人员可以利用为 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来感应通过电网的功率。牵引逆变器和电机驱动器采用脉宽调制 (PWM) 来自电机控制器的信号并通过隔离器告诉栅极驱动器打开或关闭绝缘栅双极晶体管。
隔离式偏置转换器通过从隔离栅的一侧向另一侧提供偏置电源来实现隔离式通信和感应。电流和电压传感器、数字隔离器和栅极驱动器通常需要不到 15 W 和低至数十毫瓦的功率。 图 1 显示了每个应用程序的示例。
隔离式 DC/DC 偏置电源要求
许多解决方案可以提供来自具有外部电源开关的控制器的隔离偏置电源； 转换器，将控制器与电源开关集成在一起； 最后是电源模块，将控制器、电源开关和变压器集成在一个封装中。 由于偏置电源解决方案种类繁多，应用范围广泛，因此必须充分了解应用要求，以便以最低成本满足规范要求。
至少，设计人员应该了解偏置电源输入电压范围、输出电压和输出功率要求。 某些应用需要多个偏置电压，因此为每个输出定义可接受的调节非常重要。 绝缘等级、环境工作温度范围、EMI 和电磁兼容性 (EMC) 等系统要求将进一步推动设计决策。 表 1 仅显示了极为广泛的隔离式偏置转换器规格的四个示例。 让我们回顾一些示例隔离偏置电源拓扑。
反激式转换器
反激式转换器是一种广为人知的拓扑结构，已广泛使用了数十年。 由于其灵活性和低成本，该电源转换器可以支持多种应用。 场效应晶体管 (FET) 集成和初级侧控制等进步使这种拓扑结构更具吸引力。
与前向、推挽和半桥等降压型拓扑相比，反激式拓扑仅需要一个初级开关、一个整流器和一个类变压器耦合电感。 图 2 显示了转换器的简化原理图。 当初级开关打开时，输入电压施加在初级绕组上，将能量存储在变压器的气隙中。在这种状态下，输出负载仅由输出电容器支撑。 当初级开关关闭时，储存在变压器中的能量通过整流器传送到次级，为负载供电并为输出电容器充电。
出于多种原因，反激式转换器可以很好地用作偏置转换器。 它在一个转换阶段提供调节和隔离。 它的灵活性对于多输出也很有用。 您可以选择输出绕组的数量并缠绕变压器以支持您选择的配置。输出绕组上的相应电压是占空比和初级到次级绕组匝数比的函数。 也可以将每个输出参考到不同的地，以满足系统隔离要求。 其他反激式优势包括其相对较低的成本和较宽的输入到输出工作范围。
正确设计反激变压器以获得最佳性能非常重要。 变压器应耦合良好，漏感低，以实现最高效率和最佳调节，尤其是在多路输出中。 但是，也有必要限制初级到次级的寄生电容，以防止过度的 EMI。
Fly-Buck 转换器
Fly-Buck 转换器是德州仪器 (TI) 特定的拓扑结构，用于创建隔离式偏置电源。 它能够在高达 100 V 的输入电压下工作。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) 内部，实现初级- 侧控。 图 3 显示了一个 Fly-Buck 转换器。
该拓扑使用带有耦合电感的同步降压转换器来创建一个或多个隔离输出。当高端开关导通时，初级侧像降压转换器一样工作，次级绕组电流为零。在关闭状态时 次级侧的低侧开关由初级存储的能量驱动。
同步降压转换器广泛可用，使 Fly-Buck 转换器成为一种有吸引力的拓扑。转换器不需要额外的辅助绕组或光耦合器进行控制，因为反馈回路可以在初级输出电压上闭合。耦合电感器结构是 灵活的。 匝数比、绝缘等级、次级绕组数量和 PWM 占空比是可控的，可用于各种应用。
与反激式转换器一样，必须正确设计耦合电感。 在限制初级到次级的寄生电容的同时管理漏电感很重要。对于需要大于 100V 输入的应用，您可以使用带有外部 MOSFET 的 Fly-Buck 转换器。
推挽式变压器驱动器
推挽式变压器驱动器是低噪声、小尺寸隔离电源的常见解决方案。 它由严格调节的输入轨供电，并以固定的 50% 占空比在开环中运行。 MOSFET 集成到 IC 中，实现了紧凑的解决方案。
图 4 显示了推挽式拓扑。推挽式拓扑是正向拓扑的双端变体，两个 MOSFET 均以地为参考，无需外部自举电路。 与单端正激转换器类似，FET 上的电压应力是输入电压的两倍。MOSFET 在交替的半周期内以 50% 的占空比进行开关，从而驱动变压器的中心抽头绕组。
由于许多原因，推挽式变压器驱动器是一种流行的隔离式偏置电源解决方案。 它提供了灵活性和支持多个输出的能力。 开环配置通过消除反馈环路提供了设计简单性。 推挽式变压器提供较低的初级-次级电容，与反激式和 Fly-Buck 转换器相比，可以降低共模噪声。
此外，与反激式和 Fly-Buck 转换器相比，推挽式拓扑更有效地使用变压器铁芯磁化电流，从而产生更小的磁性解决方案。
尽管变压器驱动器具有许多优点，但考虑到权衡也很重要。 与反激式和 Fly-Buck 转换器不同，变压器驱动器不能支持宽输入电压范围，而是需要严格调节的输入电压。 由于没有闭环，满足反馈的输出电压调节要求可能具有挑战性，并且可能需要低压差后置稳压器 (LDO)。
LLC转换器
大多数变压器驱动器已从其推挽式前身发展为谐振转换器，例如半桥配置中的电感-电感-电容 (LLC) 拓扑。 尽管 MOSFET 开关控制是相同的——每个 MOSFET 以 50% 的占空比交替开启，并且转换器处于开环运行状态——但 LLC 拓扑为系统带来了额外的好处。
图 5 显示 LLC 半桥拓扑。与推挽式一样，LLC 拓扑是双端的。变压器由配置在具有外部串联谐振电容的半桥中的 MOSFET 驱动。 变压器中的电容和漏感提供了一个串联谐振电路。 能量通过谐振电路中的电流从初级负载转移到次级负载。 在这种拓扑结构中，由于串联谐振电路的操作，初级和次级电流是正弦的。
LLC 拓扑的主要优势包括更高的效率、更低的 EMI 和更低的隔离栅电容（这有助于提高共模瞬态抗扰度 [CMTI] 的可靠性。
变压器漏感不再是噪声或能量损失的问题； 实际上，它成为串联谐振电路的一部分。
推挽式变压器需要四个必须紧密耦合的绕组以减少漏感。 LLC转换器中只需要两个绕组，从而降低了成本。 两个绕组被有意地分开在一个分室骨架中，从而消除了对厚电线绝缘层或绝缘胶带的需求，进一步降低了成本。 漏感在设计上更高，并且变压器的初级到次级电容可以比反激式和推挽式变压器低一个数量级——这是 EMI 和 CMTI 的主要优势。
过去，LLC 拓扑在更高电压、更高功率的系统中占主导地位，以提高开关频率、降低开关损耗、实现更高的效率、减小磁性元件的尺寸并简化变压器结构。现在可以实现相同的好处 在低于 15W 的偏置电源中； 开关频率可以增加到 1 MHz 以上，以进一步减小转换器尺寸和成本，同时提高转换器性能。 越来越多的设计人员正在转向 LLC 拓扑，以进一步以更低的系统成本实现更高的性能和更高的可靠性。
电源模块
电源模块已经存在了几十年。 与离散实现相比，这些解决方案广泛可用并提供显着的集成。 电源模块种类繁多，具有输入电压、输出电压、输出功率、输出数量、隔离等级和调节选项。
图 6 显示了一个电源模块的内部工作框图。 该拓扑包括一个类似于分立版本的变压器驱动器。 一些设备可能集成了一个输出 LDO 以进行调节。
有许多选项可供选择，您可以在大多数隔离式偏置转换器应用中使用电源模块。它们大大简化了设计过程，因为您无需指定、设计或选择变压器； 您只需要包含一个输入和输出去耦电容器即可开始设计。其他选项，如同步、输出电压选择、启用和错误信号也可用。
您将失去使用模块的一些灵活性，特别是配置输出数量和变压器匝数比。 额定环境温度范围为 125°C 的模块选择少于 55°C 和 85°C 选项。 同样，具有完全增强绝缘等级的模块数量少于具有功能或基本隔离的模块数量。
下一代偏置解决方案
变压器设计和更高频率拓扑的创新使 IC 设计人员能够将变压器和硅集成到一个 IC 中。最终用户无需设计变压器或牺牲系统性能即可获得小型、轻便的隔离式 DC/DC 偏置电源。
图 7 显示了德州仪器 UCC12050 的框图。 尽管它看起来类似于集成了功率级和整流器的功率模块，但仔细观察 UCC12050 的运行情况可以发现，与功率模块相比，它的开关频率要高得多。 与较低开关频率的替代方案相比，这可以显着降低高度和重量。 内部拓扑控制方案在没有 LDO 或外部反馈组件的情况下运行闭环。
UCC12050 为各种隔离式 DC/DC 偏置电源应用带来了诸多优势。 它采用 EMI 优化变压器设计，初级到次级电容仅为 3.5 pF，控制方案安静。 该解决方案本身可以在没有铁氧体磁珠或 LDO 的两层印刷电路板上通过 CISPR32 B 类。 该器件坚固耐用，额定为 5 kVrms 的增强隔离和 1.2 kVrms 的工作电压，可在 125°C 的环境温度下工作。 该器件系列还包括 UCC12040，其额定基本隔离为 3 kVrms，工作电压为 800 Vrms。
UCC12050 面向需要 500 mW 的 5V 输入、3.3V 至 5.4V 输出应用。需要更高输入或输出电压的应用需要提供前后转换。此外，对于需要高于 UCC12050 功率的设计 降额曲线，应探索替代拓扑。
表 2 比较了每种描述的拓扑。 很明显，带有外部变压器的拓扑提供了最大的灵活性，而电源模块和 UCC12050 提供了最易用的。
结论
您有许多选项可以跨隔离边界供电。 了解输出数量、调节要求、输出功率、绝缘等级、工作温度和输入电压范围等系统级规范至关重要。 从那里，您可以获得满足您所有系统要求的成本最低的解决方案。