作者：Diarmuid Carey，應(yīng)用工程師

摘要

在電源管理領(lǐng)域，有多種多樣的應(yīng)用需要隔離型電源轉(zhuǎn)換，例如醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)，目的是保護(hù)最終用戶或防止輸入干擾輸出（或兩者兼而有之）。本文將詳細(xì)討論隔離型開關(guān)電源(SMPS)，并介紹相關(guān)應(yīng)用中常用的正激式和反激式隔離轉(zhuǎn)換拓?fù)?。我們將研究各種SMPS器件的優(yōu)缺點，以及它們在不同功率水平下的適用性。本文旨在幫助讀者清楚地了解如何為特定應(yīng)用選擇正確的隔離拓?fù)洹?/p>

引言

隔離是指電氣系統(tǒng)防止電流在設(shè)計的兩個獨立（隔離）部分之間直接流動的能力。眾多應(yīng)用場景都可能需要隔離；例如，有些場合需要將輸入與輸出隔離開來。功能隔離是指將輸入地和輸出地分開，中斷接地環(huán)路，從而防止高噪聲電源干擾輸出側(cè)?；蛘?，由穩(wěn)壓器供電的下游負(fù)載可能需要與輸入側(cè)的高電壓隔離開來，這種情況屬于基本隔離。有些系統(tǒng)需要更高等級的隔離，以便提升系統(tǒng)的安全性和可靠性。

除了高等級安全性和隔離需求之外，選擇隔離拓?fù)溥€有其他原因。在高升壓/降壓應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)降壓或升壓轉(zhuǎn)換器無法滿足較小占空比和最小導(dǎo)通/關(guān)斷時間要求，因此需要采用隔離拓?fù)?。在反相?yīng)用中，為了實現(xiàn)正電壓到負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換，需要使用隔離器件。

多輸出應(yīng)用可以采用隔離拓?fù)?，通過多輸出變壓器，從單個電源轉(zhuǎn)換器提供多個輸出。以上只是隔離拓?fù)淇梢园l(fā)揮作用的部分領(lǐng)域。

反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器是一種隔離型SMPS，它利用變壓器將能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆?。它可以配置為降壓或升壓兩種模式。一個開關(guān)（通常是晶體管，用于開啟和關(guān)閉能量傳輸）與變壓器的初級繞組串聯(lián)連接。當(dāng)開關(guān)閉合時，能量儲存在變壓器的磁場中。當(dāng)開關(guān)斷開時，能量通過整流電路傳輸?shù)捷敵龆?。整流電路采用低損耗肖特基二極管，或者如果需要更高效率的話，可以采用有源開關(guān)。文章“如何設(shè)計一款采用次級側(cè)同步整流的無光耦反激式轉(zhuǎn)換器”討論了采用有源次級側(cè)開關(guān)的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計。能量在導(dǎo)通周期存儲在變壓器中，在關(guān)斷周期釋放到輸出端，因此反激式設(shè)計能夠傳輸?shù)哪芰渴怯邢薜?。由于物理限制，變壓器的尺寸也是有限的。這進(jìn)而又限制了變壓器的電流能力：能量太大的話，變壓器線圈就會飽和。

反激式變壓器還有一個細(xì)節(jié)需要注意，就是極性指示，它用一個簡單的圓點表示繞組彼此間的相對極性。反激式拓?fù)涞某跫壚@組和次級繞組是錯相關(guān)系，因此初級側(cè)的頂部有一個圓點，次級側(cè)的底部也有一個圓點，表示初級與次級的電流和電壓彼此錯相180°。

傳統(tǒng)的反激式方案（見圖1）使用光耦合器來閉合反饋環(huán)路并維持穩(wěn)壓。然而，這種方法有一些缺點。光耦合器存在功耗高、速度慢（環(huán)路響應(yīng)難以優(yōu)化）、體積大、性能隨著時間推移容易退化等局限性。此外，光耦合器需要偏置才能工作，因此電路次級側(cè)需要額外的電路，導(dǎo)致電路板面積增大。光耦合器基于LED，因此其性能會隨著時間的推移而衰減。電流和溫度越高，衰減速度越快。光耦合器的性能衰減可由長期電流傳輸比(CTR)曲線加以說明。器件不同，衰減也會有所不同。因此，對于關(guān)鍵應(yīng)用而言，光耦合器并非可靠的解決方案。

圖1.傳統(tǒng)方案1

圖2顯示了另一種反激式方案，它利用第三繞組向控制電路提供次級側(cè)信息，從而維持穩(wěn)壓。然而，雖然去掉了體積龐大的光耦合器及相關(guān)的偏置電路，但第三繞組仍會導(dǎo)致變壓器的物理尺寸變大，而且其對輸出變化的響應(yīng)較慢，可能造成瞬態(tài)響應(yīng)不佳。

圖2.傳統(tǒng)方案2

什么是無光耦反激式轉(zhuǎn)換器？

另一類反激式轉(zhuǎn)換器是無光耦反激式轉(zhuǎn)換器（見圖3）。無光耦是指轉(zhuǎn)換器不使用光耦合器從隔離側(cè)向轉(zhuǎn)換器提供反饋以維持穩(wěn)壓。相反，無光耦反激式轉(zhuǎn)換器通過觀測反激脈沖波形，對初級側(cè)的隔離輸出電壓進(jìn)行采樣。

圖3.LT8300無光耦反激應(yīng)用電路（36 V至72 V VIN，5 V VOUT）

這種設(shè)計在電路板面積和可靠性方面有諸多優(yōu)勢。不存在光耦合器意味著可以省去相應(yīng)的空間和次級側(cè)反饋元件。相對于使用第三繞組的設(shè)計，變壓器尺寸也更小。對于空間非常寶貴的應(yīng)用，例如便攜式設(shè)備或緊湊型電子裝置，電路板面積減少尤為重要。

當(dāng)電源開關(guān)導(dǎo)通時，變壓器初級電流將增大，最高達(dá)到峰值限流值（每個IC有不同的限流值），此時開關(guān)關(guān)斷。開關(guān)節(jié)點處的電壓上升至如下電壓值：輸出電壓(V OUT )乘以初級-次級匝數(shù)比(Nps)加上輸入電壓(V IN )。

額定開關(guān)電壓對于非隔離型開關(guān)穩(wěn)壓器很重要。然而，使用此類轉(zhuǎn)換器時需要更加小心，因為開關(guān)節(jié)點的電壓等于輸出電壓乘以變壓器匝數(shù)比加上最大輸入電壓。此外還要注意漏感尖峰，因此設(shè)計需要確保當(dāng)所有這些情況疊加在一起時，開關(guān)電壓不會超過額定值。

什么是漏感？

漏感是一種寄生電感，存在于所有基于變壓器的電路中，包括本文討論的反激式和正激式轉(zhuǎn)換器。它被視為不直接連接到目標(biāo)電路，但通過變壓器的磁場耦合到目標(biāo)電路的電感。漏感是一個寄生元件。這意味著它不是直接包含在電路設(shè)計中，而是由于變壓器的物理特性而存在的?？梢哉J(rèn)為它是變壓器磁場從初級繞組泄漏到次級繞組或從次級繞組泄漏到初級繞組的結(jié)果。

正激式和反激式轉(zhuǎn)換器的能量傳輸方式不同，因此漏感對它們的影響也不同。對于反激式轉(zhuǎn)換器，當(dāng)初級開關(guān)關(guān)斷時，漏感會導(dǎo)致初級開關(guān)兩端出現(xiàn)電壓尖峰，并且負(fù)載電流越大，電壓尖峰越明顯。電路設(shè)計人員需要確保有足夠的裕量來應(yīng)對任何最壞情況下的漏電壓尖峰。因此，初級上的反射輸出電壓需要始終低于最大開關(guān)電壓，即初級MOSFET的絕對最大額定值（初級MOSFET可集成到反激式轉(zhuǎn)換器中，或作為單獨的元件提供，具體取決于功率水平）。

在變壓器設(shè)計中，漏感控制至關(guān)重要。因此，應(yīng)與變壓器制造商密切合作，盡量降低漏感，或直接選用漏感極小的變壓器。如果上述方案不可行，可通過在變壓器初級側(cè)增加緩沖電路來有效抑制電壓尖峰。有關(guān)這些電路設(shè)計的更多信息，請參閱反激式轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊。ADI公司的LT8300微功耗隔離反激式轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊對此有更詳細(xì)的討論。

正激式轉(zhuǎn)換器

正激式轉(zhuǎn)換器也使用變壓器將能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆?，一個開關(guān)與變壓器的初級繞組串聯(lián)連接，就像反激式轉(zhuǎn)換器一樣。區(qū)別在于，正激式轉(zhuǎn)換器不依賴變壓器作為儲能元件，而是將能量立即傳輸?shù)酱渭墏?cè)，在其中進(jìn)行整流和濾波，以提供高于或低于輸入電壓的受控隔離輸出（通過改變變壓器匝數(shù)比進(jìn)行調(diào)整）。通過觀察變壓器上的圓點指示，可以輕松識別這種拓?fù)?。初級?cè)和次級側(cè)的相位指示對齊，表示初級側(cè)和次級側(cè)之間的電流和電壓相移為0°。

圖4.LT8310，12 V輸出正激式轉(zhuǎn)換器

次級側(cè)有兩個整流二極管（非同步方案），還有一個由電感和電容組成的輸出濾波器，用以減少輸出紋波。LT8310能夠在無光耦配置下運行，類似于無光耦反激式拓?fù)洌绻枰?，它也可以采用光耦合器反饋。它還能利用SOUT引腳驅(qū)動次級側(cè)MOSFET，從而實現(xiàn)同步整流正激式拓?fù)?，有助于?yōu)化效率。

圖5.LT8310，光耦合器反饋

在效率、負(fù)載電流能力、尺寸和成本方面，反激式轉(zhuǎn)換器和正激式轉(zhuǎn)換器存在一些重要差異。

效率：一般來說，正激式轉(zhuǎn)換器比反激式轉(zhuǎn)換器效率更高，因為前者因鐵芯飽和和漏感而產(chǎn)生的損耗較小。然而，轉(zhuǎn)換器的效率還取決于電路的具體設(shè)計和所使用的元件。例如，功率水平就是一個很重要的考量因素。因此，不同轉(zhuǎn)換器之間不能簡單地進(jìn)行直接比較。傳統(tǒng)上，這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率差距較大，但隨著更高效元件的出現(xiàn)，兩者的效率已經(jīng)非常接近。

負(fù)載電流能力：正激式轉(zhuǎn)換器的變壓器設(shè)計支持更大的電流流過初級繞組，因此其處理的負(fù)載電流通常高于反激式轉(zhuǎn)換器。能量在同一周期內(nèi)傳輸（正激式），而不是存儲起來（反激式），因此限制負(fù)載電流能力的因素是變壓器尺寸。由于變壓器的限制，反激式轉(zhuǎn)換器通常用于不超過60 W至70 W的應(yīng)用，超過此功率時，正激式轉(zhuǎn)換器是更優(yōu)的解決方案，能夠提供數(shù)百瓦的功率。

尺寸：反激式轉(zhuǎn)換器因變壓器設(shè)計更緊湊且所需元件較少（FET更少且濾波器更簡單），其尺寸往往小于正激式轉(zhuǎn)換器。在對尺寸有嚴(yán)格要求的應(yīng)用（如便攜式設(shè)備）中，反激式轉(zhuǎn)換器的較小尺寸可能是一個重要的考量因素。

成本：反激式轉(zhuǎn)換器因變壓器設(shè)計更簡單且所需元件更少，往往比正激式轉(zhuǎn)換器便宜。表1簡單地比較了這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及實現(xiàn)電路所需的元件數(shù)量。可以看出，反激式轉(zhuǎn)換器是一種更簡單的實現(xiàn)方案。即使設(shè)計進(jìn)一步復(fù)雜化，例如加入同步整流或因反饋需求而使用光耦合器，正激式轉(zhuǎn)換器從元器件方面來看仍然是更復(fù)雜的設(shè)計，不僅會導(dǎo)致成本更高，而且需要更大的電路板面積。

表1.元件數(shù)量比較：正激式與反激式

什么是次級側(cè)控制器？是否需要次級側(cè)控制器？

正激式和反激式轉(zhuǎn)換器均無需次級側(cè)控制器，而是利用次級側(cè)（變壓器的隔離側(cè)）的一個二極管（正激式轉(zhuǎn)換器需要兩個）來工作。然而，這不一定是最有效的方法。另一種方法是用低損耗MOSFET取代二極管，此時需要次級側(cè)控制器。它是一種開關(guān)控制器，用于控制隔離柵次級側(cè)MOSFET的通斷。有些開關(guān)控制器（如LT8311）可能包括額外的電路來監(jiān)測輸出電壓，并將此信息提供給隔離柵的初級側(cè)。信息傳輸通過光耦合器信號實現(xiàn)。圖6展示了一個應(yīng)用電路，其中LT3753正激轉(zhuǎn)換器與LT8311配合使用，通過光耦合器反饋實現(xiàn)次級側(cè)控制。

圖6.LT8311在正激應(yīng)用中用作次級側(cè)控制器

再回過來看設(shè)計中是否需要次級側(cè)控制器的問題。就像所有與電源有關(guān)的問題一樣，答案是取決于具體情況?？紤]因素包括系統(tǒng)要求、精度、效率、項目時間表、成本等。不過，使用次級側(cè)控制器會帶來一些優(yōu)勢，這對決策可能有所幫助。

提高效率：次級側(cè)控制器支持用低R DS(ON) 的MOSFET代替二極管，這有助于降低次級側(cè)的功耗，從而提高系統(tǒng)效率。

提升穩(wěn)壓能力：它可以監(jiān)測輸出電壓和電流，并向初級側(cè)提供反饋，幫助維持穩(wěn)定準(zhǔn)確的輸出電壓。由此可以實現(xiàn)更嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)，并提高輸出電壓穩(wěn)定性。

靈活性：有些次級側(cè)控制器可能包含多種附加功能，使變換器更加靈活，能夠勝任更廣泛的應(yīng)用場景。

可能需要隔離型電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用示例：

? 醫(yī)療設(shè)備：醫(yī)療設(shè)備通常需要隔離電源，以防止患者和醫(yī)務(wù)人員受到電擊。隔離還能防止患者電信號與設(shè)備相互干擾，從而實現(xiàn)更準(zhǔn)確的診斷和治療。

? 工業(yè)控制：許多系統(tǒng)需要隔離電源，例如通信接口電源、工業(yè)自動化電源。隔離通常用于工業(yè)控制系統(tǒng)，以保護(hù)敏感電子設(shè)備免受高壓瞬變和電噪聲的影響。

? 汽車系統(tǒng)：汽車系統(tǒng)也需要隔離電源，以防止不同子系統(tǒng)之間產(chǎn)生電氣干擾，并保護(hù)電子系統(tǒng)免受電壓尖峰和瞬變的影響。

? 通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)需要隔離電源，例如電信和數(shù)據(jù)通信高功率密度電源(PSU)。

? 可再生能源系統(tǒng)：出于安全原因，隔離也用于太陽能、風(fēng)能、水力發(fā)電廠等可再生能源系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換，以防止系統(tǒng)不同部分之間產(chǎn)生干擾。

? 電池供電系統(tǒng)：隔離在電池供電的系統(tǒng)中也很重要，尤其是在電池充電和放電時，需要通過隔離來保護(hù)敏感電子元件免受高壓瞬變的影響并確保安全。

**結(jié)論
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總之，隔離廣泛用于需要分離電源轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)以確保安全性、準(zhǔn)確性和可靠性的應(yīng)用。反激式和正激式轉(zhuǎn)換器都是隔離型SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用于相關(guān)的隔離應(yīng)用。選擇何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，取決于應(yīng)用的具體要求，以及對效率、隔離、尺寸、負(fù)載電流能力和成本等因素的權(quán)衡。

參考文獻(xiàn)

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Frederik Dostal，“當(dāng)反激式轉(zhuǎn)換器達(dá)到極限”，ADI公司，2020年11月。
Nikolas Ledoux，“利用功能隔離斷開接地環(huán)路，減少數(shù)據(jù)傳輸錯誤”，ADI公司，2011年11月。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

作者簡介

Diarmuid Carey是歐洲中央應(yīng)用中心的應(yīng)用工程師，工作地點在愛爾蘭利默里克。他自2008年以來一直擔(dān)任應(yīng)用工程師，并于2017年加入ADI公司，為歐洲的眾多市場客戶提供電源和隔離產(chǎn)品組合的設(shè)計支持。他擁有利默里克大學(xué)計算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。