【導讀】誤差放大器作為開關電源中的重要器件，對開關電源環路進行補償，開關電源的輸出的精度和響應速度有著重要作用。本文首先將光耦+TL431 和 CA-IS3102W 進行了對比，闡述了川土微電子CA-IS3102W在開關電源應用中的優勢，給出了典型應用中的一些方法和建議。
01 隔離運算放大器的應用場合及隔離開關電源工作原理
隔離開關電源的基本組成：
a> 功率器件：有源器件如 MOSFET、 IGBT、 SiC、 GaN 等；無源器件如二極管。
b> 磁性器件：變壓器。隔離電源中變壓器將輸入側（一般為高壓側）和輸出側（一般為低壓側）隔離。能量通過變壓器從一側傳輸到另外一側。由于兩側地不同，從而實現隔離。
c> 控制電路：對開關電源的被控制信號進行實時監控。通過負反饋控制將目標量控制在設定值。
d> 驅動電路：電路中存在有源功率器件，這些器件開通/關斷時需要瞬時釋放和吸收能量，保證開關管的安全開通和關斷。驅動電路也是影響開關電源轉換效率的關鍵因素之一。
隔離開關電源的工作原理：
1> 控制電路對被控量進行實時監控。如圖 1 所示。控制系統對輸出電壓 Vo 進行監測。將 Vo 進行分壓后和參考電壓進行比較，且對誤差信號進行放大。一般使用 Type II 或者 Type III 補償。補償放大信號為 COMP。
2> COMP 信號通過一定方式從隔離一側送到另外一側。外界使用比較多的是光耦方式，也可以使用隔離運算放大器實現。
3> 將 COMP 信號從一側送到另一側后，再將信號送入電源控制器。
4> 電源控制器內部轉換出 PWM 信號，控制功率驅動管從而控制能量使輸出電壓維持在設定值。
使用光耦隔離的隔離開關電源框圖：
在該應用中， TL431 作為基準電壓源提供 2.5V 參考電壓源。同時通過改變 Rc 和 Cc 實現環路補償。由于光耦必須提供一個最小工作電流，因此 R1 作為限流電阻使用并且阻值不能太大，二次側產生電流 i1。光耦工作時，會將二次側電流按照一定比例(CTR)傳輸到一次側并產生一次側電流 i2。一次側的電阻和電容網絡將電流信號轉化成電壓信號送至隔離電源控制器， 從而產生控制 PWM 信號驅動功率級。
使用電容式隔離運算放大器的開關電源框圖在該應用中，隔離運算放大器作為基準電壓源提供 1.225V 參考電壓源。同時通過改變 Z1 和 Z2 的電阻電容網絡實現環路補償。補償后輸出值 COMP 通過 OOK 將模擬信號調制成 PWM 信號，通過隔離柵后將 PWM 信號還原成模擬信號，輸出為 EAOUT 和 EAOUT2，或者轉化成 IOUT 電流信號。EAOUT 或 EAOUT2 作為控制信號送至隔離電源控制器，從而產生控制 PWM 信號驅動功率級。
光耦和 TL431 方案和隔離運算放大器比較：
表1為光耦+TL431 方案和 CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的比較。
通過比較可知， CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的性能優于光耦+TL431 方案：
a> 低參考電壓：使用 CA-IS3101B/CA-IS3102W 可以得到更低的輸出電壓。
b> 基準電壓穩定性：輸出電壓更加穩定。
c> 低基準誤差：輸出電壓精度高。
d> 響應速度快：動態響應速度快。
e> 工作帶寬：動態響應速度快。
f> 工作壽命：產品穩定性及壽命。
02 隔離運算放大器的使用
隔離運算放大器增益的計算：
如圖 4 所示，從 FB 至 COMP 的傳遞函數：
當改變當 Z1 和 Z2 的電阻電容網絡時，可以形成不同的補償器，具有不同的頻率響應特性。
圖 5 為 Type I 型補償器。該補償器有 1 個極點，1 個零點。
圖 6 為Type II 型補償器。該補償器有 2 個極點，1 個零點。
圖 7和圖 8 為Type III 型補償器。該補償器有3 個極點，2 個零點。
由于 CA-IS310x 從 COMP 到 EAOUT 的帶寬為 400kHz，設計隔離開關電源時，如果開關頻率比較高，則必須考慮該-3dB 帶寬。計算環路時必須將此頻率響應曲線添加到補償器中。如圖 9 所示。
頻率響應傳遞函數為：
在實際應用中，還需要考慮反饋系統的傳遞函數，即從輸出 VOUT 至補償器輸入 FB 的傳遞函數。
在實際應用中，為了將輸出電壓調整到預定值，一般采用反饋分壓電阻，因此控制環路中還必須要考慮反饋函數，反饋網絡如圖 10 所示，假設反饋網絡傳遞函數為 H(s)。第一種傳遞函數 H(s)=1，第二種傳遞函數H(s) =RB/RB+RT。
從輸出 VOUT 補償網絡至 EAOUT 的信號傳遞函數
Gain_total_1(s)=
Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。
從輸出 VOUT 補償網絡至 EAOUT2 的信號傳遞函數
Gain_total_2(s)=
2.6 ? Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。
結合以上計算配合功率級的傳遞函數，就可以計算出整個系統環路所需要的補償參數。
IOUT 引腳在系統環路控制中的應用：
CA-IS3101B/CA-IS3102W 專門提供一路電流型輸出 IOUT 可直接驅動。該電流將 EAOUT2 上的電流進行鏡像并在 IOUT 上形成電流，以替代光耦晶體管去驅動控制器的 COMP 引腳。
則從 EAOUT2 至 IOUT 的電流小信號傳遞函數Gm_vi(s) = – 2/Rx，從輸出 VOUT 補償網絡至 IOUT 的小信號傳遞函數 Gain_total_3(s)= 2.6 ?Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)* Gm_vi(s)。
03 小結
CA-IS3101B和CA-IS3102W在隔離開關電源應用中作為反饋和補償網絡使用。分析了實際應用中常見的幾種補償網絡，推導出幾種補償器的傳遞函數。
來源：川土微電子
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