NVE IsoLoop? IL711/IL610 MSOP隔離式開關電源演示板技術解析

一、引言

在電子設備的電源設計中，隔離式開關電源因其高效、穩(wěn)定等優(yōu)點而被廣泛應用。NVE Corporation推出的IsoLoop? IL711/IL610 MSOP隔離式開關電源演示板，為工程師們提供了一個優(yōu)秀的設計參考。本文將深入剖析該演示板的各項特性、電路設計以及關鍵參數(shù)，幫助電子工程師更好地理解和應用這一技術。

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二、演示板概述

2.1 基本功能

該演示板采用世界上最小的隔離器——NVE IsoLoop? MSOP隔離器，展示了一種隔離式、高效的同步降壓轉換器開關電源（SMPS）。它具有三個隔離通道，確保輸出與輸入實現(xiàn)電氣隔離。具體來說，一個雙通道MSOP - 8隔離器用于隔離同步整流，一個單通道、故障安全的MSOP - 8隔離器和簡單的脈寬調(diào)制電路用于隔離輸出電壓反饋。

2.2 隔離器優(yōu)勢

MSOP隔離器能夠最小化電路板面積，盡管元件緊湊，但變壓器、隔離器和電路板仍能保持至少3mm的爬電距離。其他IsoLoop版本可通過類似電路提供2.5kV_RMS或5kV_RMS的隔離以及高達8mm的爬電距離。此外，IsoLoop隔離器具有高速、小尺寸、低電磁干擾（EMI）和高可靠性等特點，其44000年的隔離壽命使得平均無故障時間（MTBF）比光耦合器或其他固態(tài)隔離器高出數(shù)千倍。

三、評估板規(guī)格

3.1 輸入輸出參數(shù)

• 輸入電壓：標稱值為12V（范圍11V - 14V）。
• 標稱輸出電壓：3.3 ± 0.05V。
• 最大輸出電流：750mA。

3.2 其他特性

• 過流保護：具備過流保護功能，保障電路安全。
• 開關頻率：約130kHz。
• 隔離耐壓：1.2kV_RMS，符合UL1577標準，持續(xù)時間為一分鐘。
• 工作溫度：85°C。
• 爬電距離：3mm。

四、IsoLoop隔離器特性

4.1 電氣性能

• 脈沖寬度失真：300ps，可實現(xiàn)最小死區(qū)時間。
• 脈沖抖動：100ps，確保高精度。
• 瞬態(tài)抗擾度：50kV/μs。
• 低EMI排放：無載波或內(nèi)部時鐘，有效降低EMI。
• 隔離壽命：44000年。

4.2 封裝選項

• 超小型MSOP - 8：2.5kV_RMS隔離，600V工作電壓。
• 行業(yè)標準SOIC - 8：2.5kV_RMS隔離，600V工作電壓。
• 8mm爬電寬體封裝：5kV_RMS隔離，1000V工作電壓。

五、電路板布局與元件清單

5.1 電路板布局

演示板的布局清晰，分為頂層和底層。頂層包含輸入、輸出、變壓器、隔離器等關鍵元件；底層則有控制器、調(diào)節(jié)器、輸出濾波器等。各元件之間的連接合理，確保了信號的穩(wěn)定傳輸和電路的正常工作。

5.2 元件清單

清單中詳細列出了各種電容、電阻、二極管、MOSFET、隔離器、控制器等元件的參數(shù)和封裝。例如，電容的容值從47pF到220μF不等，電阻的阻值范圍從0.033Ω到300kΩ。這些元件的選擇和搭配是為了實現(xiàn)演示板的各項功能和性能指標。

六、電路詳細分析

6.1 電路概述

演示電路主要分為三個部分：電源控制、同步整流和電壓控制。電源控制部分調(diào)節(jié)變壓器初級的功率；同步整流部分使用同步開關的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的脈寬調(diào)制信號來控制輸出。三個隔離通道確保輸出實現(xiàn)電氣隔離。

6.2 電源控制

6.2.1 開關頻率設置

PWM控制器（U1）通過改變兩個推挽式功率控制MOSFET（Q2和Q3）的占空比來調(diào)節(jié)輸出?？刂破鞯?a target="_blank">振蕩器頻率由電容C6設置，約為260kHz，推挽和同步整流MOSFET的開關頻率為控制器頻率的一半，即大約130kHz。變壓器（T1）在傳輸功率的同時保持隔離。開關頻率的計算公式如下： [f{U 1.8} approx frac{1}{(14 k Omega)(C 6)} ] [f{SWITCH} approx frac{1}{(28 k Omega)(C 6)}]

6.2.2 控制器供電

控制器啟動需要至少10.7V的(V{CC})電壓，運行時則需要7V - 10V的電源。在該電路中，通過電阻R1的“涓流充電”啟動控制器。二極管D1允許(V{CC})在啟動時超過10V調(diào)節(jié)器（U6）的輸出。啟動后，當(V{CC})降至約9.3V以下時，U6開始為控制器供電。最小輸入電壓由控制器的最小啟動電源、啟動電流和R1決定，計算公式為： [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] 該演示板中R1取值為1.5kΩ，允許最小輸入電壓為11.1V。電阻值增大將提高最小輸入電壓，降低則會因功耗增加而降低效率。演示板的最大輸入電壓為16V，受U6的最大輸入電壓限制。

6.2.3 系統(tǒng)開關機電壓與軟啟動

控制器的欠壓鎖定（UVLO）輸入引腳在該板中未使用，但可通過電阻分壓器連接到輸入電壓，以精確控制低輸入開關機電壓。當UVLO低于5V時，控制器將優(yōu)雅地關閉。電容C1用于設置功率開關占空比的受控斜坡，實現(xiàn)上電或過載關機后的軟啟動。0.068μF的電容將軟啟動時間（(t{SS})）設置為約25ms，計算公式為： [t{SS}=(385 k Omega)(C 1)] 軟啟動時間應遠長于由R23、R25和C24設置的電壓反饋截止頻率。在反饋環(huán)路中有有源電路的情況下，軟啟動僅在接近所需輸出電壓的有限范圍內(nèi)有效。

6.2.4 MOSFET死區(qū)時間與電流限制

電阻R5可用于設置“死區(qū)時間”，即Q2或Q3功率控制MOSFET之一關閉與另一個開啟之間的最短時間，確保在高占空比時兩個推挽MOSFET不同時導通。由于該演示板通常不在高占空比下運行，因此省略了該電阻，死區(qū)時間采用控制器的默認值。電阻R19設置逐周期電流限制以及“打嗝模式”短路保護。0.033Ω的阻值將逐周期MOSFET電流限制（(I{C - C})）設置為約9A，為峰值工作電流提供一定余量?？刂破鲗⒍搪繁Ｗo（(I{SCP})）設置為逐周期限制的兩倍，即18A。電流限制的計算公式如下： [I{C - C}=frac{0.3 V}{R 19} ] [I{SCP}=frac{0.6 V}{R 19}]

6.3 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，即當MOSFET的漏極電壓為正時導通。與二極管整流相比，同步整流更高效，因為它消除了二極管固有的正向電壓損耗。IL711V - 1E雙通道隔離器（U5）用于隔離MOSFET與控制器，其低脈沖寬度失真可最小化死區(qū)時間并最大化效率，高速特性還能實現(xiàn)更高的開關頻率，從而允許使用更小的電感元件。通過調(diào)整電阻R3的值（10kΩ - 200kΩ），可將功率控制同步整流MOSFET的關斷延遲從約20ns調(diào)整到200ns，以補償MOSFET速度和電感相移，優(yōu)化效率。該演示板使用20ns的延遲，因為其MOSFET速度快且變壓器相對較小。

6.4 電壓控制

6.4.1 輸出電壓確定

輸出電源電壓由三個電壓參考和幾個電阻決定。參考電壓包括1.2V和5V的控制器參考（(V{FB})和(V{REF})），以及單獨的1.25V輸出側參考（(V_{U 4})）。關鍵的分壓器包括R6、R9和R12，用于縮放鋸齒波形；R23/R25用于縮放隔離的電壓反饋信號。

6.4.2 脈沖寬度調(diào)制

U7的一半形成一個弛張振蕩器，其鋸齒波形幅度與電源電壓成正比，也是脈寬調(diào)制的時間基準。R6和R9相等，用于使波形居中。鋸齒波的峰 - 峰值幅度由R12設置（該板上與R12串聯(lián)的微調(diào)器可用于調(diào)整輸出電壓），計算公式為： [V{U 7.2(P - P)}=V{OUT }[1 - R 12 /(R 9 / 2+R 12)] ; R 6=R 9] U7的另一半將鋸齒波與參考電壓進行比較，生成跟隨輸出電壓的脈寬調(diào)制信號。鋸齒波幅度和參考電壓決定了反饋控制范圍，最小控制電壓（反饋占空比為零）和最大控制范圍（100%占空比）的計算公式如下： [V{OUT(MIN) }=V{U 4}(R 9+2 R 12) /(R 9+R 12) ; V{U 4}=2.5 V ; R 6=R 9] [V{OUT(MAX) }=V{U 4}(2+R 9 / R 12) ; V{U 4}=2.5 V ; R 6=R 9] 該振蕩器電路具有較寬的控制范圍，本演示中，最小控制范圍約為2.8V，最大約為9V，遠超出關注范圍。電壓反饋脈寬調(diào)制頻率約為1MHz，計算公式為： [f{U 7.6}=frac{1}{2(R 10)(C 5)[ln (1+R 9 / R 12)]} ; R 6=R 9] 輸出電壓以占空比編碼，因此精確頻率并不關鍵。U7輸出占空比與輸出電壓的關系如下： [delta{U 7.6}=0.5+frac{ln left(V{OUT } / V{U 4}-1right)}{2 ln (1+R 9 / R 12)} ; V_{U 4}=1.25 V ; R 6=R 9] 在輸出目標為3.3V時，該板的元件將占空比設置為約70%。由于它是閉環(huán)系統(tǒng)的一部分，占空比的非線性不會降低精度，且電路比高線性度脈寬調(diào)制器更簡單。

6.4.3 反饋隔離與電壓設置

脈寬調(diào)制的反饋信號由IL610 - 1E單通道MSOP隔離器（U8）隔離，該隔離器比常用于此目的的模擬光耦合器更小、壽命更長。IL610本質(zhì)上是故障安全的，當沒有線圈電流時，保證輸出為高電平。反相器U2的輸出在無線圈電流時為低電平，使控制器要求供電。隔離器的（ - ）線圈端子用作輸入，將隔離器配置為反相器，確保U2輸出相位與比較器U7的輸出相同。隔離器線圈電阻（R13）選擇為在輸出電路的最小工作電壓2.8V下提供至少5mA的最小直流輸入閾值。電容C3是“升壓電容”，確保隔離器在臨界條件下開啟。 R23、R25和C24對隔離的PWM信號進行縮放和濾波，將其轉換回控制器的隔離反饋電壓。對于需要更快瞬態(tài)響應的應用，可使用更復雜的濾波器或更快的反饋元件。控制器的5V參考電源為反相器供電，因此反饋電壓與5V參考電壓和占空比成正比，通過R23和R25分壓器縮放，計算公式為： [V{U 1,13}=delta{U 7,1}left( V{REF}right)(R 23) /(R 23+R 25) ; V{REF}=5 V] 由于U1使用電壓模式PWM控制器版本，它將反饋電壓與內(nèi)部1.2V參考（(V{FB})）進行比較。在期望的3.3V輸出下，平均反饋電壓應為1.2V，因此反饋占空比約為70%?？墒褂肦23和R25設置輸出電壓，計算公式為： [R 25 / R 23=delta{VOUT }left(V{REF} / V{FB}right)-1 ; V{REF}=5 V ; V{FB}=1.2 V] 輸出側的微調(diào)電阻可用于演示目的調(diào)整輸出，可選的R23可用于形成分壓器進行另一種調(diào)整方式。

6.5 濾波與頻率補償

6.5.1 輸出濾波

輸出電容用于濾除紋波。在該設計中，同步整流和PWM電壓反饋是兩個主要的紋波源。同步整流紋波與兩倍開關頻率成反比（因為使用全波整流）。忽略L1的紋波減小效應，同步整流輸出紋波分量估計如下： [V{RIPPLE - SWITCH }=I{LOAD} /left[(C 11)left(2 f_{SWITCH }right)right]] 220μF的電容（C11）在130kHz的開關頻率下，500mA負載時提供的紋波小于10mV。并聯(lián)的低等效串聯(lián)電阻（ESR）電容（C10）可最小化電感電流變化引起的紋波。

6.5.2 PWM信號濾波

R25和C24對隔離的PWM信號進行濾波，有助于確保系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性。該濾波器可減少PWM引起的紋波和誤差放大器噪聲，但時間常數(shù)也會限制瞬態(tài)響應時間。濾波器截止頻率遠高于輸出濾波器和控制器補償截止頻率，因此閉環(huán)控制速度足以保證穩(wěn)定性。對于簡單的單極點濾波器，PWM信號中的紋波約為： [V{RIPPLE - U 13}=V{FB} /left(tau{U 1,13} f{U 7,1}right) ; V{FB}=1.2 V ; tau{U 1,13}=(C 24)[(R 25)(R 23) /(R 25+R 23)]] PWM紋波將反映到輸出，但會被輸出濾波電容減小，計算公式為： [V{RIPPLE - PWM}=left(V{RIPPLE - U 1.13}right)left(I{LOAD}right) /left[left(V{FB}right)left(f{U 7.6}right)(C 11)right] ; V{FB}=1.2 V] 對于更快的瞬態(tài)響應，可使用更復雜的濾波器或更高頻率的反饋。

6.5.3 誤差放大器增益與控制器補償

控制器誤差放大器在遠高于放大器補償截止頻率的交流頻率下的增益為： [A_{ERROR - AC}=R 7 / R 25] 更高的增益可減少穩(wěn)態(tài)誤差，但會犧牲增益裕度和穩(wěn)定性。(R7)(C4)通過增加直流增益提高精度和穩(wěn)定性。由(R23||R25)(C24)和(R7)(C3)創(chuàng)建的濾波器限制高頻增益，以減少紋波并提高抗噪性。

6.5.4 電平轉換

系統(tǒng)組件使用三種不同的電源：標稱9.3V的控制器電源、5V的控制器參考電源和3.3V的輸出電源。控制器的同步整流驅動器電壓最高可達控制器電源電壓，但U5隔離器由5V初級側參考電源供電。因此，電壓分壓器用于使隔離器輸入低于5V但高于其2.4V的最小邏輯高輸入電壓。同步整流MOSFET由U5的3.3V側驅動，因此選擇柵 - 源閾值電壓遠低于3.3V的MOSFET。隔離器還在3.3V反饋信號和5V參考電源之間提供固有的電平轉換。

七、隔離器系列介紹

7.1 IL700 - 系列隔離器

獲獎的IsoLoop? IL700 - 系列隔離器因其高速、小尺寸、低EMI和高可靠性，非常適合開關電源。雙通道隔離器是SMPS的熱門選擇。所有IsoLoop隔離器都具有獨特的聚合物 - 陶瓷復合隔離屏障，具有44000年的隔離壽命。該系列提供多種等級、通道配置和封裝選項，如IL710V - 1E、IL711V - 1E等型號，不同型號在傳輸/接收通道、隔離電壓、最大溫度、關鍵特性和封裝方面有所差異。

7.2 IL600 - 系列故障安全隔離器

獨特的IL600 - 系列隔離器本質(zhì)上是故障安全的，輸入為無源，類似于LED輸入光耦合器。輸入可配置為反相或同相。該系列提供SOIC和獨特的MSOP封裝，以及用于板上芯片組裝的裸片。與光耦合器不同，所有IsoLoop隔離器都具有獨特的聚合物 - 陶瓷復合隔離屏障，具有44000年的隔離壽命。例如IL610 - 1E、IL611 - 1E等型號，各型號在通道、隔離、溫度等參數(shù)上各有特點。

八、總結與注意事項

8.1 總結

NVE IsoLoop? IL711/IL610 MSOP隔離式開關電源演示板是一款功能強大、設計精巧的電源解決方案。它充分展示了IsoLoop隔離器在開關電源中的優(yōu)勢，通過合理的電路設計和元件選擇，實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的電源輸出。其獨特的隔離技術和豐富的功能特性，為電子工程師在電源設計方面提供了很好的參考和借鑒。

8.2 注意事項

• 爬電距離：在電源電路中，爬電距離通常至關重要。NVE隔離器封裝除滿足JEDEC標準外，還有獨特的爬電規(guī)范。在設計電路板時，應參考隔離器數(shù)據(jù)手冊中的推薦焊盤布局，避免標準焊盤庫（特別是MSOP）延伸到封裝下方，以免影響爬電和間隙。同時，要合理間隔接地和電源平面，避免影響間隙。
• 應用限制：NVE產(chǎn)品除非與客戶明確書面約定，否則不設計、授權或保證適用于生命支持、生命關鍵或安全關鍵設備?？蛻粼谑褂肗VE產(chǎn)品時，需自行負責確定產(chǎn)品是否適合其應用和產(chǎn)品設計，并進行必要的測試，以避免應用和產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

電子工程師在使用該演示板或相關技術時，可根據(jù)實際需求進行調(diào)整和優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的電源性能。你在實際應用中是否遇到過類似電源設計的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。