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技術(shù)看點：高效率小尺寸的反激式電源設(shè)計

發(fā)布時間：2015-03-12 責(zé)任編輯：sherryyu

【導(dǎo)讀】本文介紹的是采用高穩(wěn)定性隔離誤差放大器的反激式電源設(shè)計方案。這款解決方案可以適應(yīng)于較高直流輸入電壓產(chǎn)生較低輸出電壓的隔離電源應(yīng)用場合，具有效率高、尺寸小等優(yōu)勢。

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一種隔離式反激電源，采用線性隔離誤差放大器提供從副邊到原邊的反饋信號。基于光耦合器的解決方案的傳遞函數(shù)是非線性的，隨時間和溫度而變化；隔離放大器則不同，其傳遞函數(shù)是線性的，非常穩(wěn)定，而且當(dāng)跨越隔離柵傳輸反饋信號時，失調(diào)和增益誤差極小。

整個電路采用5 V至24 V電源供電，因而可以配合標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)和汽車電源使用。采用5 V輸入和5 V輸出配置時，該電路的輸出能力高達(dá)1 A。

這款解決方案可以適應(yīng)于較高直流輸入電壓產(chǎn)生較低輸出電壓的隔離電源應(yīng)用場合，具有效率高、尺寸小等優(yōu)勢。包括10 W至20 W電信和服務(wù)器電源，對于此類電源，效率和印刷電路板(PCB)密度很重要，而且常常使用-48 V電源作為輸入。

圖1. 反激式電源電路原理示意圖

電路描述

所用隔離放大器為ADuM3190，其內(nèi)置一個1.225 V基準(zhǔn)電壓源和一個單位增益帶寬積為10 MHz的誤差放大器。完整的模擬反饋環(huán)路還包括外部阻性分壓器（R1、R2、R3和R4）及補償網(wǎng)絡(luò)（R9、C9和C10）。

ADuM3190兩端的輸入電源范圍均為3.0 V至20 V，內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器為基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器和模擬隔離器提供穩(wěn)定的電源。

ADuM3190與分布式電源開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(DOSA)的輸出電壓調(diào)整方法兼容。

ADP1621為反激電源提供脈寬調(diào)制(PWM)控制。利用外加NPN晶體管(Q2)，內(nèi)部5.5 V分流穩(wěn)壓器提供高輸入電源電壓的能力。ADP1621工作在電流模式下，且能進行無損電流檢測，從而提供出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

設(shè)置輸出電壓

輸出電壓通過一個分壓器設(shè)置，該分壓器位將VOUT 分壓后送入ADuM3190的-IN引腳。系統(tǒng)的輸出電壓由電阻分壓比設(shè)置。通過使用ADuM3190的內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源，-IN引腳的調(diào)節(jié)電壓為1.225 V。

對于5 V輸出配置，電阻分壓器值為：R1 = 2 kΩ，R2 = 47 kΩ，R3 = 51 kΩ，R4 = 100 kΩ。

基準(zhǔn)電壓源

ADuM3190提供1.225 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，其在-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)的額定精度為±1%。基準(zhǔn)電壓輸出引腳(REFOUT)可以連接到誤差放大器的+IN引腳，以便設(shè)置輸出電壓。當(dāng)需要較高精度或特殊輸出電壓時，必須使用其他基準(zhǔn)電壓源，+IN引腳也可以連接到外部基準(zhǔn)電壓源。

變壓器選擇

變壓器選擇很重要，因為它決定了原邊電感的電流紋波。

本設(shè)計示例使用以下參數(shù)：

● VIN = 5 V

● VOUT = 5 V

● IOUTMAX = 1 A

● fSW = 200 kHz

● 變壓器匝數(shù)比 = 1:1

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變壓器原邊平均電流ILAVG由下式得出：

其中：

ILOAD為負(fù)載電流。

D為最大負(fù)載電流下的占空比。

NS/NP為變壓器的匝數(shù)比。

輸出電壓為：

其中：

fSW為開關(guān)頻率。

L為原邊電感值。

假設(shè)以連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)工作，原邊電感電流計算如下：

本設(shè)計使用的變壓器匝數(shù)比為1:1，原邊電感為16 μH（Halo Electronics, Inc.，TGB01-P099EP13LF）。

補償網(wǎng)絡(luò)

在反激式拓?fù)潆娫粗校敵鲐?fù)載電阻、輸出電容及其串聯(lián)等效電阻(ESR)會增加一個零點和一個極點，其頻率取決于元件類型和值。控制到輸出傳遞函數(shù)中還有一個右半平面(RHP)零點。RHP零點將相位降低90°，因此0 dB增益的頻率（交越頻率）低于RHP零點。

利用ADuM3190的誤差放大器，從-IN引腳到COMP引腳可提供一個Type II補償網(wǎng)絡(luò)，用以補償控制環(huán)路的穩(wěn)定性。補償網(wǎng)絡(luò)值取決于所選元件。

Type II補償網(wǎng)絡(luò)的零點和極點由下式得出：

在該特定設(shè)計中，補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為：R9 = 15 kΩ，C9 = 2.2 nF，C10 = 1 nF。

此補償網(wǎng)絡(luò)提供的零點和極點為：fZERO = 4.8 kHz，fPOLE = 15.4 kHz。提高零點和極點頻率可改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，但會降低反饋環(huán)路的相位裕量，可能導(dǎo)致電源不穩(wěn)定。

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緩沖器網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)功率MOSFET (Q3)關(guān)斷時，變壓器泄露電感會在漏極上引起高電壓尖峰。此過大電壓會給功率MOSFET帶來巨大壓力，造成可靠性問題或損害。因此，有必要使用附加網(wǎng)絡(luò)來鉗位電壓。

當(dāng)MOSFET漏極電壓超過D2的陰極電壓時，由電阻、電容和二極管（R19、C21和D2）組成的緩沖器網(wǎng)絡(luò)通過接通緩沖器二極管來吸收泄露電感中的電流。

當(dāng)功率MOSFET的漏極連接到CS引腳時，ADP1621以無損模式工作。在實際設(shè)計中，為保持精度不變，應(yīng)將CS引腳的電壓限制在絕對最大值33 V和實際最大值30 V以下。如果實測峰值電壓超過30 V，或者需要更精確的電流限制，可以將CS引腳與MOSFET源極中的外部電流檢測電阻相連。

原邊電源

ADP1621電源電壓范圍是2.9 V至5.5 V，ADuM3190電源電壓范圍是3.0 V至20 V。為了采用5 V至12 V輸入電壓電源工作，可將一個小信號NPN晶體管(Q2)用作穩(wěn)壓器。

ADP1621的IN引腳內(nèi)置一個5.5 V穩(wěn)壓器，并且連接到NPN晶體管Q2的基極節(jié)點。此連接偏置Q2，使得發(fā)射極節(jié)點可調(diào)節(jié)到5.5 V - 0.7 V = 4.8 V，以便用作ADP1621 (PIN)和ADuM3190 (VDD1)的電源電壓。

副邊電源

ADuM3190的副邊(VDD2)電源電壓范圍為3.0 V至20 V，利用內(nèi)部穩(wěn)壓器提供3.0 V工作電壓。

如果VOUT設(shè)置為高于20 V，應(yīng)外加一個穩(wěn)壓器以提供額定VDD2電壓。

隔離和安全

ADuM3190采用小型16引腳QSOP封裝，隔離電壓額定值為2.5 kV rms。 ADuM3190的安全額定值如表1所示。

常見變化

如需更高輸入電壓，必須使用電流檢測電阻和電流控制環(huán)路。將R20電阻從0 Ω變?yōu)閼?yīng)用要求的值。對于1 A輸出配置，檢測電阻值應(yīng)選擇50 mΩ。根據(jù)ADP1621中的內(nèi)部電流反饋環(huán)路，當(dāng)電流檢測電壓上升時，開關(guān)的最大PWM占空比會降低。如果檢測電阻值過高，開關(guān)的占空比將很有限，額定輸出電壓下的最大輸出電流也會受限。ADP1621補償引腳(COMP)的有效輸入電壓范圍是0 V至2 V。為了保證開關(guān)占空比足夠大，建議將CS引腳電壓限制在0.1 V以下。

采用低于5 V的輸入電壓工作時，應(yīng)將集電極與發(fā)射極之間的跳線短路，從而旁路輸入調(diào)節(jié)電阻。

對于具有-48 V輸入的電信或服務(wù)器電源等應(yīng)用，應(yīng)將原邊控制器的電源電壓調(diào)節(jié)到+5 V。 NPN晶體管Q2需要較高的VCE擊穿電壓，功率MOSFET Q3需要較高的VDS（100 V，VDSMAX）。此外，RCD緩沖器電路中的二極管D2應(yīng)變?yōu)?0 V反向電壓額定值。

為了降低ADP1621內(nèi)部穩(wěn)壓器的電流，應(yīng)將R12提高到1.5 kΩ。

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表2總結(jié)了針對不同輸入電壓配置而選擇的替代器件。