作者：德州儀器 (TI) 系統(tǒng)和應用工程師Vijay Choudhary 導讀：Fly-Buck及耦合電感器降壓轉(zhuǎn)換器以更低的成本、更小的尺寸，以及更簡單的設(shè)計實現(xiàn)了隔離式和雙極電源軌。 隔離式偏置電源軌在測試和測量設(shè)備、過程控制、電信系統(tǒng)、樓宇基礎(chǔ)設(shè)施、以及工業(yè)自動化系統(tǒng)中很常見。傳統(tǒng)上，隔離式電源的設(shè)計是一個冗長而又乏味的過程，因為其中涉及環(huán)路補償、光耦合器、額外的繞組、和/或者初級側(cè)電源軌。 與低功率級相比，其中涉及的工作量、復雜度、解決方案尺寸、以及成本都過高。 這份白皮書將為您介紹：Fly-Buck轉(zhuǎn)換器可通過設(shè)計簡單，容易使用，成本劃算的方式生成多個隔離式電源軌。本文給出了不同應用領(lǐng)域內(nèi)的實際示例，以顯示基于Fly-Buck的方法在功率高達15W的低功率隔離式設(shè)計方面的有效性。這些示例有助于設(shè)計人員找到那些與特定偏置功率要求相近似的解決方案。文中引用的設(shè)計示例和資源能夠幫助設(shè)計人員更有信心的在系統(tǒng)中設(shè)計并運行隔離式電源解決方案。 現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的隔離式電源軌 現(xiàn)代電子系統(tǒng)包含大量的分布式電源軌；這些電源軌為多種數(shù)字和模擬電路供電。很多系統(tǒng)或子系統(tǒng)，特別是那些需要人工干預的系統(tǒng)，為了保證它們的安全性，需要將它們與主電源隔離開來。這些系統(tǒng)包括工業(yè)過程控制、樓宇自動化、電信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、以及醫(yī)療設(shè)備，以及其他一些系統(tǒng)。圖1至6給出了幾個應用了隔離式電源軌的系統(tǒng)示例。Fly-Buck轉(zhuǎn)換器方法是更簡單的方法，在這些系統(tǒng)和其它相似應用中生成偏置電源軌。 一個常見應用領(lǐng)域就是工廠自動化，其中的一個24V DC電源軌或者一個定制的以太網(wǎng)供電 (PoE) 組成了系統(tǒng)分布式電源骨干的一部分（圖1）。分布于整個系統(tǒng)中的控制和傳感器塊需要由偏置電源供電；而這些偏置電源要與主電源總線隔離開來。參考設(shè)計1中包含一個為可編程邏輯控制器 (PLC) I/O模塊供電的完整設(shè)計。 圖1.工業(yè)應用中的隔離式電源軌 另外一個常見的應用領(lǐng)域是隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器或電機控制中的柵極驅(qū)動偏置電源。MOSFET、IGBT，或基于碳化硅 (SiC) 的功率級需要隔離式電源軌作為驅(qū)動器，以及控制電路供電；而這些驅(qū)動器或控制電路也許與電源不在同一側(cè)，而是位于隔離邊界的另一側(cè)。高側(cè)驅(qū)動器還需要浮動偏置電源軌；這些電源軌用高達數(shù)百伏電壓與低側(cè)電源軌分離開來（圖2）。參考設(shè)計2是一個完整的，針對3相電機控制系統(tǒng)的Fly-Buck偏置電源設(shè)計。 圖2. IBGT/SiC/MOSFET柵極驅(qū)動偏置電源軌 圖3顯示的是具有初級和次級驅(qū)動器偏置電源的電信DC/DC轉(zhuǎn)換器。這個次級側(cè)控制器電源源自一個單個Fly-Buck轉(zhuǎn)換器。參考設(shè)計3是針對這個偏置電源的完整參考設(shè)計。 圖3.電信DC/DC轉(zhuǎn)換器偏置電源 醫(yī)療設(shè)備通常需要隔離功能，以保證病患和操作人員的人身安全。隔離式轉(zhuǎn)換器使用的另外一個領(lǐng)域就是為很多高性能運算放大器 (op amp) 和其它放大器類型生成雙極電源。隔離式輸出經(jīng)常被用于生成其中一個±電源軌（圖4）。 圖4.用于儀表的雙極 (±) 電源軌 另外，變壓器隔離還常用于降壓-升壓應用或電壓穩(wěn)定器。在這些應用中，輸入電壓在標稱電源軌電壓的上下大幅波動。使用變壓器可以簡化穩(wěn)壓器設(shè)計，其原因在于變壓器被用來升壓，而開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器可被用來調(diào)節(jié)電壓。相對于使用非隔離式轉(zhuǎn)換器，使用變壓器的拓撲可更易生成低功率、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（圖5）。 圖5.低功率降壓-升壓轉(zhuǎn)換器/電源軌穩(wěn)定器 圖6顯示的是一個具有-48V電源軌的電信系統(tǒng)。其中需要一個5V/500mA電源軌；此電源軌并不是以系統(tǒng)返回電源軌 (-48V) 為基準，而是相對于接地。一個隔離式電源能夠輕易地從-48V輸入電源軌中生成一個正（或負）電平位移電源軌。 圖6.電平位移電源軌 創(chuàng)建隔離式電源軌 這一部分將介紹幾個常用的隔離式電源軌生成方法，以及每個方法的優(yōu)缺點。 生成隔離式電源軌的其中一個方法就是使用反激式轉(zhuǎn)換器。在10-100W的功率范圍內(nèi)，反激式的確是創(chuàng)建隔離式電源的一種十分劃算的方法。然而，反激式拓撲設(shè)計相對復雜。為了實現(xiàn)穩(wěn)定性，它經(jīng)常需要涉及到與補償設(shè)計有關(guān)的復雜設(shè)計過程。它還需要針對電壓穩(wěn)壓的隔離式反饋，而實現(xiàn)穩(wěn)壓需要一個額外的變壓器繞組或光耦合器。功率級本身對于變壓器泄露電感十分敏感。這就需要精細的緩沖器設(shè)計，能夠?qū)㈤_關(guān)節(jié)點的電壓尖峰限定在一個合理的值。因此，對于電子系統(tǒng)中常用到的功率相對較低的電源軌，反激式解決方案通常就顯得過于復雜了。簡言之，對于低功率偏置電源設(shè)計來說（10W或更低），反激式不是一個合適的拓撲。 生成隔離式偏置電源軌的另外一個常見方法就是使用一個驅(qū)動器和變壓器電路，比如說，一個具有中央抽頭變壓器的推挽驅(qū)動器。當輸入電源經(jīng)過穩(wěn)壓，并且功率要求很低時 (1-2W)，這個開環(huán)路方法會比較有用。對于多變或者功率級較高的輸入電源軌來說，變壓器驅(qū)動器方法在電路復雜度和/或性能方面沒有什么吸引力。 對于具有主功率級的系統(tǒng)，可使用主電力轉(zhuǎn)換級的輔助繞組來生成輔助偏置電源。這個過程已經(jīng)被有經(jīng)驗的設(shè)計人員長期使用。這樣可以獲得具有成本有效性的解決方案，不過這一方法也會使得主功率級的設(shè)計因偏置電源的設(shè)計與主電源設(shè)計混合在一起而變得復雜。此外，這個方法只在為主電源生成偏置電源時，以及/或者在主電源周圍生成偏置電源時有用。 什么是Fly-BuckTM轉(zhuǎn)換器？ Fly-Buck轉(zhuǎn)換器是一個同步降壓轉(zhuǎn)換器，其中的電感器被耦合電感器或反激式變壓器所取代。次級輸出電壓 (VOUT2) 由一個對次級繞組進行整流的二極管生成。如圖7所示，當同步開關(guān) (Q2) 接通時，初級輸出電容器 (COUT1) 在每個開關(guān)周期內(nèi)對次級輸出電容器 (COUT2) 充電。 圖7. 一個Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的運行 要獲得Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的詳細說明和工作原理，請參見參考文獻4。 Fly-Buck轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點 Fly-Buck轉(zhuǎn)換器是一個初級側(cè)穩(wěn)壓 (PSR)拓撲。它無需隔離式輸出感測，從而避免了對于額外變壓器繞組或光耦合器的需要。如表格1中所示，由于其中具有一個包含了集成高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的65V/100V Fly-Buck系列，使用Fly-Buck進行的隔離式偏置電源設(shè)計往往變得更加簡單，尺寸也更加小巧。 如果應用同時需要隔離式和非隔離式電源軌，F(xiàn)ly-Buck拓撲就是一個具有高成本有效性的解決方案?？梢栽诓辉黾宇~外系統(tǒng)開銷的情況下使用Fly-Buck轉(zhuǎn)換器（從本質(zhì)上說，它是一個降壓轉(zhuǎn)換器）的初級輸出。 對于需要多個隔離式電源軌的系統(tǒng)，由于可以使用變壓器中的多余繞組來創(chuàng)建額外輸出，而又不會對整個設(shè)計過程產(chǎn)生任何影響，F(xiàn)ly-Buck是一個比較理想的選擇。而對于多個隔離式輸出來說，專用隔離式反饋環(huán)路的優(yōu)勢就會大打折扣，其原因在于隔離環(huán)路只是改進了一個輸出的穩(wěn)壓。參考文獻1-3內(nèi)有一個具有3、4、8個電源軌的完整Fly-Buck解決方案。 Fly-Buck變壓器經(jīng)常使用接近于對稱的匝數(shù)比。通?？梢允褂迷褦?shù)比為1:1或1:1.5。通常情況下，具有匹配匝數(shù)比的變壓器更加小巧。相對來說，反激式設(shè)計的匝數(shù)比往往是十分不匹配的。 正是由于它的這些優(yōu)點和簡單性，F(xiàn)ly-Buck轉(zhuǎn)換器的性能往往會隨著功率級的增加而下降。由于無源次級側(cè)穩(wěn)壓，F(xiàn)ly-Buck只能被應用于功率較低的情況下。圖8中顯示的是Fly-Buck解決方案在哪些方面比其它方法更具有吸引力。 圖8.針對不同功率等級所建議的隔離式轉(zhuǎn)換器類型