隔離電源自電子行業(yè)誕生以來(lái)就一直存在。隨著電源設(shè)計(jì)的變化，以跟上更高的效率和功率密度要求，隔離反饋對(duì)于保持安全至關(guān)重要。

隔離式電源不僅可以保護(hù)用戶免受潛在致命電壓和電流的影響，還可以提供性能優(yōu)勢(shì)。隔離電源通過(guò)中斷接地環(huán)路來(lái)保持儀器精度，并且它們可以輕松地從負(fù)電源總線提供正穩(wěn)壓，而不會(huì)影響該總線的優(yōu)勢(shì)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)更高效調(diào)節(jié)和更高功率密度的需求，隔離反饋?zhàn)兊迷絹?lái)越重要。初級(jí)側(cè)開關(guān)電源取代了次級(jí)側(cè)開關(guān)電源。此外，為了提高整體效率，線性后置穩(wěn)壓器已經(jīng)讓位于隔離反饋。開關(guān)控制器的更高頻率操作允許磁性元件縮小到等效功率60Hz變壓器尺寸的一小部分。因此，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在依靠隔離反饋來(lái)保持高功率密度下的安全性。

您可以使用三種基本技術(shù)之一來(lái)隔離電源中的反饋信號(hào)。耦合繞組反饋取決于反饋繞組和輸出（次級(jí)）繞組之間的緊密耦合，并保持輸入和輸出之間所需的隔離。光隔離器反饋依賴于耦合LED和光電晶體管的線性特性以及它們之間的距離。變壓器耦合反饋需要一個(gè)調(diào)制器和解調(diào)器，通過(guò)第二個(gè)變壓器傳輸信號(hào)。

這些技術(shù)假定變壓器提供所需的輸入到輸出隔離。您可以通過(guò)將每種類型的隔離反饋應(yīng)用于變壓器-反激式拓?fù)鋪?lái)了解這些技術(shù)，該拓?fù)湓谥鏖_關(guān)打開時(shí)將能量存儲(chǔ)在電源變壓器中，并在開關(guān)關(guān)閉時(shí)分配能量。

耦合繞組反饋

耦合繞組反饋依賴于次級(jí)側(cè)和初級(jí)側(cè)繞組之間的緊密耦合，以保持輸出電壓的準(zhǔn)確圖像，同時(shí)能量在變壓器繞組之間分配。耦合繞組反饋的主要優(yōu)點(diǎn)是元件數(shù)量少;電源變壓器提供隔離。主要缺點(diǎn)是需要緊密耦合與需要高隔離電壓之間的沖突。另一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)電流負(fù)載較高且不平衡時(shí)，交叉調(diào)節(jié)會(huì)下降。

通過(guò)觀察變壓器反激式拓?fù)涑跫?jí)繞組的開關(guān)電壓波形，您可以看到隔離耦合繞組反饋的示例（圖 1a）。假設(shè)輸入電壓為正，低邊開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，其電壓LX變?yōu)榈碗娖剑▓D1b），初級(jí)電流I普里普利（圖1c），斜坡上升，將能量存儲(chǔ)在變壓器中。

圖1.在具有正輸入電壓和低邊開關(guān)的簡(jiǎn)單反激式拓?fù)?（a） 中，閉合開關(guān)會(huì)拉動(dòng)電壓 LX、低電平 （b）。然后初級(jí)電流（c）上升，將能量存儲(chǔ)在變壓器中。當(dāng)次級(jí)電流斜坡下降（d）時(shí)，變壓器中的電力轉(zhuǎn)移到輸出端。

當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于與初級(jí)繞組相關(guān)的非耦合漏感的影響，LX飛得很高。當(dāng)這種泄漏中的能量消散時(shí)，通常是由于二極管/齊納緩沖器網(wǎng)絡(luò)的存在，LX穩(wěn)定到等于V的水平在加上次級(jí)繞組電壓與初級(jí)與次級(jí)匝數(shù)比的乘積N。換句話說(shuō)，LX = V在+N×V秒此時(shí)。該電平是調(diào)節(jié)V的隔離反饋電壓外.

反饋電壓保持在V在+N×V秒直到存儲(chǔ)在變壓器中的所有能量轉(zhuǎn)移到輸出端。然后 LX 穩(wěn)定為 V在.這種布置的主要缺點(diǎn)是反饋電壓的大小。偏移 V在乘以匝數(shù)比，幅度在更高的V水平下變得不切實(shí)際在.

添加反饋或偏置繞組

反饋或偏置繞組提供了獲得隔離耦合繞組反饋的第二種方法。例如，考慮一個(gè)變壓器隔離反激式轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器從-48V獲得5V電壓（圖2）。偏置繞組產(chǎn)生一個(gè)偏置電源，用于為開關(guān)控制器供電，提供隔離反饋電壓，并對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以允許使用低側(cè)折合控制器和開關(guān)。

圖2.僅使用一個(gè)變壓器、一個(gè)耦合繞組反饋+5至-48V反激式轉(zhuǎn)換器即可使用偏置繞組WFB來(lái)提供隔離反饋電壓，并為開關(guān)控制器IC1產(chǎn)生偏置電源。

從偏置繞組獲得反饋比從初級(jí)反激式電壓獲取反饋更實(shí)用，而且成本只是變壓器上額外繞組的成本。與前面的示例一樣，輸出調(diào)節(jié)取決于輸出和反饋繞組之間的緊密耦合。這種技術(shù)不適用于大功率電路，因?yàn)榻徊嬲{(diào)節(jié)限制了負(fù)載調(diào)節(jié)范圍。

集成電路1通過(guò)脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 調(diào)節(jié)輸出。PFM穩(wěn)壓器在固定間隔內(nèi)打開電源開關(guān)，并根據(jù)需要改變這些“導(dǎo)通”脈沖的頻率，以提供所需的輸出功率。與PWM相比，PFM的優(yōu)勢(shì)在于PFM在輕負(fù)載時(shí)功耗更低。輕負(fù)載頻率較低，因此與開關(guān)相關(guān)的功率損耗小于同類固定頻率PWM系統(tǒng)。

MOSFET 功率開關(guān)，Q2，控制初級(jí)繞組的電源，W普里普利.然后，功率通過(guò)次級(jí)繞組 W 傳輸?shù)捷敵雒牒?a target="_blank">肖特基二極管 D3，用于存儲(chǔ)在 C 中3.反饋繞組，WFB和 D2為 IC 供電1，其中 C1商店。然后 IC 調(diào)節(jié) V外通過(guò)控制 C 兩端的電壓1.

該調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)脈沖頻率，以在反饋繞組兩端僅產(chǎn)生 12V。所需的匝數(shù)比從 W秒到 WFB大約為 5 到 12，這些繞組必須緊密耦合以最小化其漏感。緩沖器網(wǎng)絡(luò) R4/C2耗散漏感中的能量，并通過(guò)最小化反激尖峰的幅度來(lái)保護(hù)開關(guān)。

R3在反饋電壓范圍內(nèi)提供 25mW 預(yù)負(fù)載，以改善負(fù)載調(diào)整率和穩(wěn)定性。R1/ 12， D1和 Q1構(gòu)成為IC供電的啟動(dòng)電路1直到反饋電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電壓。一旦進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，反饋電壓通過(guò)反向偏置Q的發(fā)射極來(lái)阻止啟動(dòng)電路1.圖2中的轉(zhuǎn)換器在500mA時(shí)提供5V ±4%，效率優(yōu)于80%。負(fù)載調(diào)整率約為5%，-36V至-70V輸入的線路調(diào)整率約為0.5%。

乍一看，光隔離器似乎是提供與輸出電壓隔離但成線性比例的信號(hào)的理想選擇。LED發(fā)出的光的強(qiáng)度與通過(guò)二極管的電流成正比。光通過(guò)物理隔離照射到光電晶體管，光電晶體管的電流與接收到的光的強(qiáng)度成比例。

然而，對(duì)于模擬信號(hào)應(yīng)用，最初用于數(shù)字信號(hào)的光隔離器受到其自身特性的限制。光隔離器的傳流比是輸出電流與輸入電流的比值。在理想情況下，該比率是恒定的，但實(shí)際上它隨輸入電流、溫度、時(shí)間和處理而變化。在 5 到 10 年內(nèi)，這個(gè)比率可能會(huì)降低 10 倍。另一個(gè)缺點(diǎn)是光隔離器相對(duì)較慢。即使是更快的也需要10mA至20mA的輸入電流來(lái)保持其速度。在設(shè)計(jì)實(shí)用的光隔離反饋連接時(shí)，您需要考慮所有這些因素。

變壓器反激式拓?fù)湔f(shuō)明了光隔離反饋（圖 3）。該電路將12V轉(zhuǎn)換為隔離式9V，并集成了一個(gè)電流模式PFM控制器IC1，該控制器的工作開關(guān)頻率為300kHz。集成電路2的并聯(lián)穩(wěn)壓器充當(dāng)誤差放大器，當(dāng) V 增加時(shí)吸收電流外將反饋電壓拉到其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓以上。光隔離器電流隨該灌電流增加，直到轉(zhuǎn)換器停止開關(guān)，從而允許V外以返回到其名義值。

圖3.在光隔離器反饋反激式設(shè)計(jì)中，變壓器隔離主輸出-9V，光隔離器隔離反饋信號(hào)。

放置誤差放大器、IC2，在光隔離器前面的次級(jí)側(cè)，降低了該器件對(duì)偏置電流和溫度變化影響的敏感性。然而，在某些電路中，該放大器的額外增益會(huì)影響環(huán)路穩(wěn)定性，并使環(huán)路補(bǔ)償復(fù)雜化。

該設(shè)計(jì)使用高速光隔離器（6N136）來(lái)提供寬環(huán)路帶寬和快速瞬態(tài)響應(yīng)。光隔離器在16mA電流下的最大傳播延遲為800nsec。此外，集成電路1的高開關(guān)頻率使得變壓器的輸出功率相對(duì)較小。這些和其他特性使電路能夠滿足其設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)應(yīng)用。該電路從12V獲得-9V，效率超過(guò)80%。對(duì)于 5V 至 15V 的電源電壓，該電路可承受一個(gè) 200mA 負(fù)載并保持 0.1% 的線路調(diào)整率。對(duì)于0mA至200mA的輸出電流，負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于0.5%，-55°C至+125°C的溫度調(diào)節(jié)范圍為0.97%至0.57%。

變壓器耦合反饋

與耦合繞組反饋一樣，變壓器耦合反饋依靠磁場(chǎng)跨越隔離柵傳輸電壓信息。然而，變壓器耦合反饋采用單獨(dú)的變壓器、調(diào)制器和解調(diào)器，以優(yōu)化反饋路徑。調(diào)制器和解調(diào)器是必需的，因?yàn)樽儔浩鞑荒軅鬏斨绷麟妷夯螂娏鳌ｋ妷悍答佇枰钚〉墓β蕚鬏?，因此您可以提高相?duì)于功率開關(guān)頻率的調(diào)制頻率，從而減小變壓器的尺寸。性能取決于調(diào)制器和變壓器的設(shè)計(jì);細(xì)節(jié)決定成敗。

基本概念是具有隔離的線性比例直流反饋路徑（圖 4）。推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器，IC2，其線路調(diào)整率為零，產(chǎn)生與輸入成比例的變壓器隔離電壓。此操作使能IC中開關(guān)轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)誤差放大器1控制環(huán)路，就好像電路沒有隔離一樣。初級(jí)變壓器 T1提供前向隔離。

圖4.變壓器耦合反饋使用單獨(dú)的變壓器，以便在-48V至5V反激式轉(zhuǎn)換器中提供最佳反饋。T1 提供正向隔離;T2隔離反饋信號(hào)。

隔離式變壓器驅(qū)動(dòng)器，IC2，與表面貼裝變壓器 T 配合使用2，將隔離的 5V 輸出轉(zhuǎn)換為參考初級(jí)側(cè)并與 5V 成比例的電壓。二極管橋，D2到 D5和 C1將此變壓器的輸出轉(zhuǎn)換為直流電。D1/ <>1和 R2補(bǔ)償二極管電橋中的溫度變化。所得電壓的溫度系數(shù)為零，略小于隔離式5V反饋電壓的一半。（集成電路2工作在 3V 至 6V 的輸入范圍內(nèi)。

電路將此隔離反饋插入變壓器-反激式開關(guān)轉(zhuǎn)換器IC1，可將 -48V 轉(zhuǎn)換為 5V。對(duì)于5V輸出，反饋電壓為2.404V。在100kHz時(shí)，通過(guò)反饋電路的延遲為250nsec，等于9°相移。該頻率遠(yuǎn)大于環(huán)路帶寬。反饋電路的電源電流約為6mA，包括溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

為了適應(yīng)隔離反饋電路，只需減小R的值3在非隔離轉(zhuǎn)換器上使 R3/R4分壓器電壓與IC內(nèi)部的1.5V基準(zhǔn)電壓相匹配1.請(qǐng)注意，R3需要在生產(chǎn)中調(diào)整以補(bǔ)償 T 的匝數(shù)比變化2.（對(duì)于 1% 初始公差，R3需要修剪，無(wú)論反饋技術(shù)如何。

隔離式和非隔離式轉(zhuǎn)換器的性能幾乎相同，但隔離式反饋電路消耗的功率除外。變壓器 T2提供高達(dá) 500V 的隔離有效值;額定值達(dá) 1500V有效值也可用。該轉(zhuǎn)換器在 5A 時(shí)提供隔離式 5V，效率優(yōu)于 80%。對(duì)于0A至5A的負(fù)載電流，負(fù)載調(diào)整率約為2%，對(duì)于-30V至-65V的輸入電壓，線路調(diào)整率小于1%。

審核編輯：郭婷