跨越隔离边界的反馈技术

功率转换器基本上可分为隔离式及非隔离式两大类型。这两类转换器的主要分别在于输入功率接地与输出功率接地之间。实际上,许多应用都规定接地之间必须隔离。对于采用多条供电干线的大型电子系统来说,将不同接地隔离有助精简单点接地的设计,以免出现接地环路。隔离不同接地的规定很多时由不同的安全机构制定。不同接地必须隔离,以确保不同接地之间即使出现 1,500 伏 (v) 或以上的电位差,也不会有电压崩溃的迹象出现。隔离式功率转换器的设计与一般的转换器不同,设计电源供应器的工程师必须解决这类转换器所特有的设计问题。隔离式功率转换器必须采用加设了变压器的电路布局,较为普遍采用的电路布局计有回扫、正向、推拉、电流反馈式推拉以及半桥式和全桥式等布局。将供电或反馈资料由一个接地传送到另一接地的整个过程通常称为“跨越隔离边界”。

  所有隔离式开关功率转换器都设有输入滤波器、输出滤波器、变压器、初级侧开关、次级侧整流电路以及控制器等,而控制器是整个转换器的心脏,能以初级线圈接地或次级线圈接地作为参考电压。(图 1 )显示以初级线圈接地作为参考电压的配置,而(图 2 )则显示以次级线圈接地作为参考电压的配置。这两个配置的控制器在开始通电时可以从启动电路那里获得偏压供电,一旦系统正常操作,供电便由更有效率的辅助线圈提供。以次级线圈接地作为参考电压的控制器也有其内在的问题,例如,在开始通电时,偏压供电必须由初级线圈 (错误接地) 提供。这个问题不难解决。我们可以采用另一独立的隔离式偏压功率转换器为控制器提供所需的微量供电。只要系统提供另一独立的偏压供电,便可确保无论在任何情况下各子系统都可顺序启动。此外,我们也可采用另一设计,为次级线圈控制器提供偏压供电。这个设计的特色是容许初级线圈的主要开关在通电后可以在受控情况下立即启动。开关一旦启动,辅助线圈便会为控制器提供所需的偏压供电,由这个时候开始,控制器便负责控制这个主要开关的运作。这种强行启动主开关管的设计会产生过冲、短路及过载等问题。

  系统设计工程师构思转换器的配置时,为什么总希望其中的控制器以次级线圈接地作为参考电压?注意(图 1) 中的反馈信号必须先行隔离,然后才经由次级线圈接地传送到初级线圈接地。若采用这个设计,反馈信号的相位会稍为延迟一点,令控制环路的带宽受到一定的限制,最终甚至会影响转换器的瞬态响应。目前许多转换器都利用场效应晶体管 (fet) 而非图中所示的二极管为次级线圈提供整流。这些同步整流器场效应晶体管都需要小心加以控制的门极驱动电流,而所需的驱动电流可由次级线圈的控制器直接提供,这样可以确保在最适当的时间提供控制。采用次级线圈控制器的电路设计较为复杂,但性能则比采用初级线圈接地作为参考电压的控制器更高。

  我们只要采用以初级线圈接地作为参考电压的控制器,便可进一步精简转换器的设计,以及降低其成本。若采用这个配置,光耦合器便可将输出端的反馈信号由隔离边界的一边传送回另一边。大部分传送回另一边的反馈信号都并非与输出电压成正比。确切一点来说,反馈信号与输出电压及参考电压之间的差成正比。若输出电压直接由边界一边传送往另一边,隔离电路可能会令信号出现讹误,直接影响稳压效果。光耦合器具有极大的电流传送比率容限,令温度与老化都有较大的差异。若要产生误差信号,可先将输出电压与固定参考电压加以比较,然后乘以一个较大的增益倍数。这个误差信号传送至边界的另一边之后,便可直接送往控制器。(图 3a 及 3b )所示的两个结构框图便采用这两种不同的反馈设计。按照这个设计,每一区块获分配一个典型的增益:例如隔离信号级的增益便以 aiso 来表示,误差放大器的增益以 aamp 来表示,而脉冲宽度调制器 (pwm) 的增益及电源供应级的余数则以 apwr 来表示。这两个设计的唯一分别是误差信号放大器及隔离器的位置互相对换。

  (图 3a) 显示的功率转换器

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计