NVE IsoLoop? 2.5 kV MSOP隔離式開關(guān)電源演示板技術(shù)解析

一、概述

NVE Corporation推出的IsoLoop? 2.5 kV MSOP隔離式開關(guān)電源演示板，采用全球最小的隔離器NVE IsoLoop? MSOP隔離器，展示了一款高效的同步降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)電源（SMPS）。該演示板具備三個(gè)隔離通道，確保輸出與輸入電氣隔離，在開關(guān)電源領(lǐng)域表現(xiàn)出色。

文件下載：SMPS2-01.pdf

二、評估板與隔離器規(guī)格

評估板規(guī)格

• 輸入電壓：額定12V（范圍為11V - 14V）。
• 輸出電壓：額定 3.3 ± 0.05 V。
• 最大輸出電流：750 mA，還具備過流保護(hù)功能。
• 開關(guān)頻率：約130 kHz。
• 隔離特性：根據(jù)UL1577標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn) (2.5 kV_{RMS}) / 一分鐘的完全隔離。
• 工作溫度：可達(dá)100°C，爬電距離為3 mm。

IsoLoop隔離器特性

• 低失真與高精度：300 ps脈沖寬度失真，最小化死區(qū)時(shí)間；100 ps脈沖抖動，保證高精度。
• 高抗干擾性：50 kV/μs瞬態(tài)抗擾度，能有效抵御干擾。
• 低電磁干擾：無載波或內(nèi)部時(shí)鐘，電磁輻射極低。
• 長壽命：擁有44000年的隔離壽命，比光耦合器或其他固態(tài)隔離器的平均無故障工作時(shí)間（MTBF）高出數(shù)千倍。
• 多種封裝選項(xiàng)：包括超小型MSOP - 8（ (2.5 kV{RMS}) 隔離；600工作電壓）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SOIC - 8（ (2.5 kV{RMS}) 隔離；600工作電壓）和具有8 mm爬電距離的寬體（ (5 kV_{RMS}) 隔離；1000工作電壓）。

三、電路設(shè)計(jì)

1. 電路概述

演示電路主要分為三個(gè)部分：功率控制、同步整流和電壓控制。功率控制部分調(diào)節(jié)變壓器初級的功率；同步整流部分使用同步開關(guān)MOSFET從變壓器次級提供直流輸出；電壓控制部分通過反饋與輸出電壓對應(yīng)的頻率數(shù)字信號來控制輸出。

2. 功率控制

PWM控制器（U1）通過改變兩個(gè)推挽式功率控制MOSFET（Q2和Q3）的占空比來調(diào)節(jié)輸出?？刂破鞯?a target="_blank">振蕩器頻率由C6設(shè)置，約為260 kHz，推挽和同步整流MOSFET的開關(guān)頻率為控制器頻率的一半（約130 kHz）。變壓器（T1）在傳輸功率的同時(shí)保持隔離。

• 啟動與供電：控制器啟動至少需要10.7 V，運(yùn)行時(shí)需要7 - 10 V的電源。電路中通過電阻R1進(jìn)行“涓流充電”啟動控制器，D1允許 (V_{CC}) 在啟動時(shí)高于10 V穩(wěn)壓器（U6）的輸出。啟動后，U6開始為控制器供電。
• 開關(guān)頻率計(jì)算： [f{U 1.8} approx frac{1}{(14 k Omega)(C 6)} f{SWITCH} approx frac{1}{(28 k Omega)(C 6)}]
• 輸入電壓要求：最小輸入電壓由控制器最小啟動電源、啟動電流和R1決定： [V{IN(MIN)}=V{CCUV(MAX)}+left(I{CCST(MAX)}right)(R 1); V{CCUV(MAX)}=10.7 V ; I_{CCST(MAX)}=250 mu A]

3. 同步整流

控制器與功率控制MOSFET同步開啟同步整流MOSFET Q1和Q4，這種整流方式比二極管整流更高效，因?yàn)樗硕O管固有的正向電壓損失。

• 隔離設(shè)計(jì)：IL711V - 1E雙通道隔離器（U5）將MOSFET與控制器隔離，其低脈沖寬度失真可最小化死區(qū)時(shí)間并提高效率，高驅(qū)動能力可驅(qū)動高柵極電荷MOSFET。
• MOSFET關(guān)斷延遲：通過調(diào)整R3的值（10 kΩ - 200 kΩ），可將功率控制同步整流MOSFET關(guān)斷之間的延遲從約20 ns調(diào)整到200 ns，本演示中使用20 ns延遲。

4. 電壓控制

輸出電源電壓由三個(gè)電壓參考值、與作為電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換器的振蕩器相關(guān)的無源元件以及作為頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器的單穩(wěn)態(tài)電路決定。

• 電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換：U7構(gòu)成簡單的單芯片張弛振蕩器，其頻率取決于其電源電壓（電源輸出）與輸出側(cè)參考電壓U4的比較。 [f{U 7}=frac{1}{ T{U 7.1(LOW)}+T{U 7.1(HIGH)}} ; T{U 7.1(LOW)}=tau ln frac{V{U 7.4(MAX)}}{V{U 7.4(MIN)}} ; T{U 7.1(HIGH)}=tau ln frac{beta{2} V{OUT}-V{U 7.4(MIN)}}{beta{2} V{OUT}-V_{U 7.4(MAX)}}]
• 反饋隔離：反饋頻率信號由IL710V - 1E單通道隔離器（U8）隔離，比常用的模擬光耦合器更小且壽命更長。
• 頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換：單穩(wěn)態(tài)U2作為頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器，平均輸出電壓與單穩(wěn)態(tài)脈沖寬度、頻率和控制器參考電壓成正比： [V{U 1.13}=left(V{REF}right)left(f{U 7}right)left(T{U 2}right) ; V_{REF}=5 V]

四、濾波與頻率補(bǔ)償

輸出濾波

輸出電容用于濾除紋波，同步整流紋波與兩倍開關(guān)頻率成反比。220 μF電容（C11）在130 kHz開關(guān)頻率下，500 mA負(fù)載時(shí)可提供小于10 mV的紋波，并聯(lián)低ESR電容（C10）可最小化電感電流變化引起的紋波。 [V{RIPPLE - SWITCH }=I{LOAD } /left[(C 11)left(2 f_{SWITCH }right)right]]

數(shù)字反饋濾波

R25和C24對隔離反饋信號進(jìn)行濾波，確保系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性，減少PWM引起的紋波和誤差放大器噪聲，但時(shí)間常數(shù)會限制瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。 [V{RIPPLE - U1,13 }=V{FB} /left[(R 25)(C 24)left(f{U 7,1}right)right] ; V{FB}=1.2 V]

誤差放大器增益與控制器補(bǔ)償

誤差放大器在交流頻率遠(yuǎn)高于放大器補(bǔ)償截止頻率時(shí)的增益為： [A_{ERROR - AC}=R 7 / R 25] 較高的增益可減少穩(wěn)態(tài)誤差，但會犧牲增益裕度和穩(wěn)定性。(R7)(C4)可提高直流增益以提高精度和穩(wěn)定性，(R25)(C24)和(R7)(C3)組成的濾波器可限制高頻增益，減少紋波并提高抗噪性。

五、電平轉(zhuǎn)換與爬電距離維護(hù)

電平轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)組件使用三種不同的電源：9.3 V標(biāo)稱控制器電源、5 V控制器參考電源和3.3 V電源輸出。通過分壓器將隔離器輸入保持在5 V以下但高于2.4 V的最小邏輯高輸入電壓，隔離器U8可在3.3 V反饋信號和5 V參考電源之間實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

爬電距離維護(hù)

爬電距離在電源電路中至關(guān)重要，NVE隔離器封裝有獨(dú)特的爬電規(guī)范，其數(shù)據(jù)手冊中包含推薦的焊盤布局。設(shè)計(jì)時(shí)需注意標(biāo)準(zhǔn)焊盤庫可能會影響爬電和電氣間隙，同時(shí)要合理布置接地和電源層。

六、IsoLoop? IL700系列隔離器

七、其他NVE隔離器評估板

NVE還提供多種其他隔離器評估板，如RS - 485、PROFIBUS、CAN等接口的隔離器評估板，方便工程師進(jìn)行不同應(yīng)用的測試和開發(fā)。

八、總結(jié)

NVE IsoLoop? 2.5 kV MSOP隔離式開關(guān)電源演示板憑借其先進(jìn)的隔離器技術(shù)、高效的電路設(shè)計(jì)和多種保護(hù)功能，為開關(guān)電源的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的范例。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求選擇合適的隔離器型號和電路參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性的開關(guān)電源設(shè)計(jì)。大家在設(shè)計(jì)類似開關(guān)電源時(shí)，不妨參考這款演示板的設(shè)計(jì)思路，你覺得它的哪些特性最吸引你呢？