基于高穩(wěn)定性隔離誤差放大器的反激式電源設(shè)計(jì)

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，反激式電源是一種常見且重要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文將詳細(xì)介紹由ADI公司設(shè)計(jì)的CN - 0342反激式電源電路，它采用高穩(wěn)定性隔離誤差放大器，為電源設(shè)計(jì)帶來諸多優(yōu)勢(shì)。

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一、電路概述

1. 電路組成與功能

CN - 0342電路是一個(gè)隔離的反激式電源，采用線性隔離誤差放大器將反饋信號(hào)從次級(jí)側(cè)傳輸?shù)匠跫?jí)側(cè)。與基于光耦合器的解決方案不同，隔離放大器的線性傳遞函數(shù)穩(wěn)定，能最大程度減少反饋信號(hào)跨越隔離屏障時(shí)的失調(diào)和增益誤差。

2. 主要器件

• ADuM3190：2.5 kV rms隔離誤差放大器，包含1.225 V電壓基準(zhǔn)和10 MHz單位增益帶寬積的誤差放大器。
• ADP1621：恒頻、電流模式升壓DC - DC控制器，為反激式電源提供脈寬調(diào)制（PWM）控制。

3. 電路優(yōu)勢(shì)

整個(gè)電路的輸入電壓范圍為5 V至24 V，適用于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)和汽車電源。在5 V輸入和5 V輸出配置下，輸出能力可達(dá)1 A。該解決方案可應(yīng)用于需要高效、小尺寸的低電壓隔離電源場(chǎng)景，如10 W至20 W的電信和服務(wù)器電源。

二、電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

1. 隔離放大器ADuM3190

輸入電源范圍為3.0 V至20 V，內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器為電壓基準(zhǔn)、誤差放大器和模擬隔離器提供穩(wěn)定電源。它還與分布式電源開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（DOSA）輸出電壓調(diào)節(jié)方法兼容。

2. 輸出電壓設(shè)置

通過從VOUT到ADuM3190的 - IN引腳的分壓器設(shè)置輸出電壓。利用ADuM3190內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)， - IN引腳的調(diào)節(jié)電壓為1.225 V，輸出電壓計(jì)算公式為： [V_{OUT }=1.225 V timesleft(1+frac{R 4+R 3}{R 1+R 2}right)] 對(duì)于5 V輸出配置，(R1 = 2 kΩ)，(R2 = 47 kΩ)，(R3 = 51 kΩ)，(R4 = 100 kΩ)。

3. 變壓器選擇

變壓器的選擇至關(guān)重要，它決定了初級(jí)電感電流紋波。在本設(shè)計(jì)示例中，使用的參數(shù)如下：

• (V_{IN}=5 V)
• (V_{OUT }=5 V)
• (I_{outmax}=1 A)
• (f_{SW}=200 kHz)
• 變壓器匝數(shù)比 = 1:1

平均變壓器初級(jí)側(cè)電流(I{LAVG})的計(jì)算公式為： [I{L A V G}=frac{I{L O A D}}{1-D} × frac{N{S}}{N{P}}] 輸出電壓公式為： [V{OUT } times(1-D) × frac{N{P}}{N{S}}=V_{I N} × D] 由于輸出和輸入均為5 V，變壓器匝數(shù)比為1:1，占空比(D)為50%。

初級(jí)電感紋波電流峰 - 峰值與電感值成反比，計(jì)算公式為： [Delta I{L}=frac{V{I N} × D}{f_{S W} × L}] 假設(shè)初級(jí)紋波電流為變壓器初級(jí)側(cè)平均電流的50%，合理的電感值為12.5 μH。本設(shè)計(jì)使用的變壓器是匝數(shù)比為1:1、初級(jí)側(cè)電感為16 μH的變壓器（Halo Electronics, Inc., TGB01 - P099EP13LF）。

4. 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

在反激式拓?fù)潆娫粗?，輸出?fù)載電阻、輸出電容及其等效串聯(lián)電阻（ESR）會(huì)在依賴于元件類型和值的頻率處增加一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，控制到輸出傳遞函數(shù)中還有一個(gè)右半平面（RHP）零點(diǎn)。為了補(bǔ)償控制環(huán)路的穩(wěn)定性，使用Type II補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)從 - IN引腳連接到COMP引腳。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零點(diǎn)和極點(diǎn)計(jì)算公式如下： [f{ZERO }=frac{1}{2 pi × R 9 × C 9}] [f{POLE }=frac{C 10+C 9}{2 pi × R 9 × C 10 × C 9}] 在本設(shè)計(jì)中，(R9 = 15 kΩ)，(C9 = 2.2 nF)，(C10 = 1 nF)，零點(diǎn)頻率(f{ZERO}=4.8 kHz)，極點(diǎn)頻率(f{POLE}=15.4 kHz)。

5. 緩沖網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)功率MOSFET（Q3）關(guān)斷時(shí)，由于變壓器漏感，漏極會(huì)出現(xiàn)高電壓尖峰。為了保護(hù)功率MOSFET，使用由電阻、電容和二極管（R19、C21和D2）組成的緩沖網(wǎng)絡(luò)吸收漏感中的電流。

6. 電源供應(yīng)

• 初級(jí)側(cè)電源：ADP1621的電源電壓范圍為2.9 V至5.5 V，ADuM3190的電源電壓范圍為3.0 V至20 V。使用小信號(hào)NPN晶體管（Q2）作為電壓調(diào)節(jié)器，將ADP1621的IN引腳連接到Q2的基極，使發(fā)射極節(jié)點(diǎn)可調(diào)節(jié)到4.8 V，為ADP1621和ADuM3190供電。
• 次級(jí)側(cè)電源：ADuM3190在次級(jí)側(cè)（(V_{DD 2})）的電源電壓范圍為3.0 V至20 V，內(nèi)部穩(wěn)壓器提供3.0 V工作電壓。如果VOUT設(shè)置高于20 V，則需要添加外部電壓調(diào)節(jié)器。

7. 絕緣和安全

ADuM3190采用小型16引腳QSOP封裝，隔離電壓額定值為2.5 kV rms，其安全規(guī)格包括額定介電絕緣電壓、最小外部氣隙、最小外部爬電距離等。

三、常見變化

1. 高輸入電壓情況

對(duì)于較高的輸入電壓，需要使用電流檢測(cè)電阻和電流控制環(huán)路。將R20電阻從0 Ω更改為應(yīng)用所需的值，對(duì)于1 A輸出配置，選擇50 mΩ的檢測(cè)電阻。

2. 低輸入電壓情況

當(dāng)輸入電壓小于5 V時(shí)，通過短接集電極和發(fā)射極之間的跳線繞過輸入調(diào)節(jié)晶體管。

3. - 48 V輸入情況

對(duì)于 - 48 V輸入的電信或服務(wù)器電源應(yīng)用，將初級(jí)側(cè)控制器的電源電壓調(diào)節(jié)到 + 5 V，NPN晶體管Q2需要更高的(VCE)擊穿電壓，功率MOSFET Q3需要更高的(VDS)（100 V，(V_{DSMAX})），同時(shí)將RCD緩沖電路中的二極管D2更換為70 V反向電壓額定值的二極管。

4. 降低內(nèi)部穩(wěn)壓器電流

為了降低ADP1621內(nèi)部穩(wěn)壓器的電流，將R12增加到1.5 kΩ。

四、性能結(jié)果

1. 效率

測(cè)量了5 V、12 V和24 V三種不同輸入電壓下的效率。

2. 輸出電壓穩(wěn)定性

在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，輸出電壓總誤差小于±20 mV（±0.4%）。

3. 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載電流從100 mA增加到900 mA時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為32 μs；從900 mA減少到100 mA時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為45 μs。

五、電路評(píng)估與測(cè)試

1. 所需設(shè)備

• 30 V電源，具有3 A電流輸出能力和電流測(cè)量功能
• 具有1 A負(fù)載電流能力的源/測(cè)量單元
• 帶寬大于300 MHz的示波器和輸入范圍大于1 A的電流探頭

2. 測(cè)試步驟

• 將5 V電源連接到初級(jí)側(cè)輸入連接器（J4），將地連接到J5。
• 將源表連接到次級(jí)側(cè)，J1為5 V輸出，J3為輸出地。
• 在J15上放置跳線，使用ADuM3190的內(nèi)部1.225 V電壓基準(zhǔn)。

六、總結(jié)

CN - 0342反激式電源電路采用高穩(wěn)定性隔離誤差放大器，具有輸入電壓范圍寬、輸出能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。通過合理選擇變壓器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和緩沖網(wǎng)絡(luò)等元件，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)具體要求對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。你在電源設(shè)計(jì)中是否遇到過類似的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。