【導讀】幸好，有一種全新的無光耦反激式DC-DC轉換器解決方案，可省去光耦合器和相關反饋電路，並且無需使用第三變壓器繞組。新解決方案還帶來了新的輸出電壓精度基準。

簡介

出於安全原因或為了確保複雜係統正常工作，我們有時需要使用隔離式DC-DC解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。傳(chuan)統(tong)的(de)隔(ge)離(li)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)會(hui)使(shi)用(yong)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)和(he)附(fu)加(jia)電(dian)路(lu)，或(huo)者(zhe)複(fu)雜(za)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)設(she)計(ji)，以(yi)形(xing)成(cheng)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)的(de)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu)，從(cong)而(er)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。各(ge)種(zhong)附(fu)加(jia)元(yuan)件(jian)使(shi)設(she)計(ji)變(bian)得(de)複(fu)雜(za)而(er)龐(pang)大(da)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)會(hui)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)而(er)退(tui)化(hua)，降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。此(ci)外(wai)，終(zhong)端(duan)設(she)備(bei)的(de)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao)，給(gei)電(dian)源(yuan)所(suo)留(liu)的(de)空(kong)間(jian)很(hen)有(you)限(xian)，增(zeng)加(jia)了(le)散(san)熱(re)管(guan)理(li)的(de)難(nan)題(ti)。在(zai)開(kai)始(shi)新(xin)的(de)隔(ge)離(li)式(shi)DC-DC設計時，係統工程師必須解決所有這些難題。係統工程師需要一種體積小、成本低、高度可靠且易於設計的解決方案。現在，您可以使用無光耦解決方案簡化設計並縮小解決方案尺寸。

在什麼情況下使用隔離式DC-DC轉換器
？為什麼
？

各行各業（比如工廠自動化
、樓宇自動化
、電動汽車

、汽車電子
、航空電子
、醫療設備
、商業設備等）中的許多電力係統都會采用隔離式DC-DC轉換器，原因有三：

安全：防止浪湧電流損壞設備並防止人員受到主電源的傷害。圖1顯xian示shi了le一yi個ge主zhu電dian源yuan與yu次ci級ji隔ge離li的de電dian力li係xi統tong，其qi中zhong操cao作zuo人ren員yuan可ke能neng會hui接jie觸chu到dao次ci級ji。如ru果guo沒mei有you適shi當dang的de安an全quan隔ge離li措cuo施shi，發fa生sheng雷lei擊ji時shi
，極ji高gao的de浪lang湧yong電dian壓ya可ke能neng會hui通tong過guo設she備bei衝chong擊ji操cao作zuo人ren員yuan和he地di麵mian。其qi後hou果guo幾ji乎hu是shi致zhi命ming的de。此ci處chu的de隔ge離li柵zha可ke以yi將jiang危wei險xian的de浪lang湧yong能neng量liang引yin回hui主zhu接jie地di，防fang止zhi其qi流liu向xiang操cao作zuo人ren員yuan。

圖1.安全隔離。

避免形成接地環路：在大型或複雜係統中，不同區域會存在接地電位差。此處通過隔離來避免形成破壞性的接地環路
，並將數字噪聲與精密模擬係統隔離。

圖2.通過隔離避免形成接地環路。

電平轉換：有時
，許多電源軌混合組成的係統會使用隔離式DC-DC轉換來生成多個隔離正向和/或負向輸出電壓。

圖3.電平轉換隔離。

隔離式DC-DC轉換器基本原理

圖4顯示了一個傳統的隔離式DC-DC轉換器。該解決方案使用光耦合器
、誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)和(he)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)源(yuan)來(lai)構(gou)成(cheng)一(yi)個(ge)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)的(de)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu)。在(zai)此(ci)實(shi)現(xian)方(fang)案(an)中(zhong)，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)通(tong)過(guo)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)進(jin)行(xing)檢(jian)測(ce)
，然(ran)後(hou)將(jiang)其(qi)與(yu)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)。信(xin)息(xi)通(tong)過(guo)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)傳(chuan)送(song)到(dao)隔(ge)離(li)柵(zha)另(ling)一(yi)側(ce)的(de)主(zhu)麵(mian)，主(zhu)麵(mian)的(de)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)對(dui)功(gong)率(lv)級(ji)進(jin)行(xing)調(tiao)製(zhi)以(yi)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。

圖4.使用光耦合器和相關反饋電路的傳統隔離式DC-DC轉換器。

這種解決方案一直都能很好地發揮其作用，但隨著設備尺寸逐漸縮小，導致其幾乎沒有容身之地。光耦合器、誤差放大器和基準電壓電路共有12個元件，大大增加了總設計元件數
，並占用很大的電路板空間（圖5）。大家自然希望能省去這種電路。

圖5.使用光耦合器、誤差放大器和基準電壓源的傳統反饋電路。

光耦合器還麵臨另一個大問題：其性能會隨溫度變化，並隨著時間推移而下降，從而導致某些應用出現可靠性問題。圖6顯示了典型光耦合器的電流傳輸比(CTR)，在-60°C至+120°C溫度範圍內其變化率達270%¹。除此之外，此CTR還會隨著時間的推移下降30%至40%^2,3,4。

圖6.光耦合器集電極電流與環境溫度的關係。¹

省去光耦合器

主麵控製拓撲：有一種省去光耦合器的方式是采用主麵控製法。在此方案中，電源隔離變壓器上的第三繞組用於在"關斷"周期內間接測量輸出電壓。圖7顯示了這種電路。反射電壓VW與輸出電壓成正比，公式如下：

其中V_O是輸出電壓，V_F是輸出整流二極管壓降
，N_a是第三繞組匝數，N_S是次級繞組匝數。

圖7.使用第三繞組的主麵控製。

雖然這種方法可以有效地省去光耦合器，但卻產生了一係列新問題：

(a) 添加第三繞組會使變壓器的設計和構造更複雜，增加更多成本。

(b) 反射電壓與輸出整流二極管電壓V_F相關。此外
，V_F會隨負載和溫度而變化。這會導致檢測的輸出電壓出現誤差。

(c) V_W上的漏感振鈴會進一步增加檢測輸出電壓的讀數誤差。

這zhe種zhong主zhu麵mian控kong製zhi法fa提ti供gong的de輸shu出chu電dian壓ya調tiao節jie性xing能neng不bu佳jia
，因yin此ci在zai許xu多duo應ying用yong中zhong並bing不bu實shi用yong
，迫po使shi設she計ji人ren員yuan使shi用yong後hou置zhi穩wen壓ya器qi，這zhe會hui增zeng加jia更geng多duo成cheng本ben，並bing增zeng大da總zong體ti解jie決jue方fang案an的de尺chi寸cun。

無光耦反激式拓撲：無光耦反激式DC-DC轉換器是主麵控製法的一種變化形式。這種方式通過直接檢測主麵電壓避免了上述問題(a)，所以無需使用電源變壓器中的第三繞組。這一改進顯著降低了變壓器設計和構造的複雜性，並且簡化了PCB布局。圖8描述了這種拓撲。

圖8.無光耦反激式電路。

反射電壓V_P與輸出電壓成正比，公式如下：

其中V_O是輸出電壓，V_F是輸出整流二極管壓降
，N_P是初級繞組匝數

，N_S是次級繞組匝數。

無光耦反激式拓撲結構並不新鮮，而它仍然受困於上述其他兩個問題(b)和(c)。此例中(c)對應的不是V_W
，而是V_P上的漏感振鈴。對於這種無光耦反激式電路，輸出電壓調節性能不佳仍然是嚴峻的技術挑戰。

所幸，近來的電路設計發展和專有技術有效地改善了這一瓶頸問題。我們來仔細看看！

克服輸出電壓調節不佳的問題

圖9顯示了MAX17690，它提供一種無光耦反激隔離式DC-DC轉換器解決方案

，輸出電壓調節精度達±5%

圖9.無光耦反激式電路實現新的輸出電壓調節基準。

為了消除檢測輸出電壓的讀數誤差
，MAX17690在次級電流I_SEC較低時對反射電壓進行采樣。此技術可減緩由輸出負載引起的二極管壓降變化。這款IC還具有補償二極管電壓及其隨溫度變化的功能。另外還采用先進技術來濾除漏感振鈴。總之，這款IC為無光耦反激式拓撲帶來了新的輸出電壓調節基準。

圖10顯示的變體MAX17691還集成了功率FET和電流檢測元件
，因此僅需極少外部元件即可構建完整電路。它以一種非常簡單的形式提供了高性能的隔離式DC-DC轉換器解決方案。

圖10.高度集成的無光耦反激式解決方案。

MAX17690和MAX17691都能實現很好的輸出電壓調節。圖11顯示了它們在不同溫度、線路和負載條件下的性能。

圖11.MAX17690/MAX17691輸出電壓調節。新基準！

結論

設備和電路板空間越來越小，導致使用光耦合器構建反饋環路的傳統大尺寸隔離式DC-DCzhuanhuanqizhujianshiquqishiyongjiazhi。ciwaihaiyoulingyidaozuai，guangouheqidexingnenghuisuiwendubianhuabingsuizheshijiandetuiyierxiajiang。wuguangoufanjishituopugengjiandan，xuyaodewaibuyuanjiangengshao
，ziranshigenghaodexuanze。shejijishudechuangxingaijinxianzhutigaoleshuchudianyatiaojiexingneng，shiwuguangoufanjishiDC-DC轉換器具有實用性，成為隔離電源應用的正確選擇。

參考資料

1"光耦合器
、光電晶體管輸出
、低輸入電流
、SSOP-4
、半間距、小型扁平封裝"。Vishay Intertechnology, Inc. 2023年1月。

2"Vishay光耦合器應用筆記，文檔編號：80059"。Vishay Intertechnology, Inc. 2008年1月。

3"晶體管耦合器的基本特性和應用電路設計"。Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation

，2018年。

4T. Bajenesco。"光耦合器的CTR退化和老化問題。" 第四屆固態和IC技術國際會議論文集，1995年10月。

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