当电源需要电气隔离
发布时间：2022-2-25 21:11
发布者：eechina
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作者：ADI公司 在设计电源时，要回答的第一个问题是是否需要电气隔离。 使用电气隔离有多个原因。它可以提高电路的安全性，允许浮动系统操作，防止嘈杂的接地电流在一个电路中通过不同的电子设备传播。常见的两种隔离拓扑是反激转换器和正向转换器。但是，对于较高的功率，使用推挽、半桥和全桥等其他隔离拓扑。如果不需要电气隔离，则大多数情况下使用非隔离拓扑。隔离拓扑总是需要变压器，而这种设备往往昂贵而笨重，并且满足定制电源所需的确切需求的现成设备通常很难得到。本文将以亚德诺半导体（ADI）的数字隔离电源技术为例，探讨常用的反激式与正向隔离电源的设计。 
隔离电源的主要拓扑结构 除了非隔离拓扑外，一些应用需要电气隔离电源转换器，需要采用隔离拓扑。采用隔离拓扑结构原因可能是出于安全考虑，在不同电路相互连接的大型系统中需要有浮动接地，或者在噪声敏感应用中需要防止接地电流环路。常见的隔离转换器拓扑是反激转换器和正向转换器。 反激转换器通常用于高达60 W的功率电平。电路的工作方式是，在导通时间内，电能存储在变压器中。在断开时，该电能释放到转换器的副边，为输出供电。这种转换器容易构建，但需要相对较大的变压器来存储正常操作所需的所有电能。这一方面使得该拓扑仅限于较低的功率电平。 除了反激转换器，正向转换器也很流行。它使用变压器的方式与反激转换器不同，在导通时间内，虽然有电流流过一次绕组，但也有电流流过二次绕组。电能不应存储在变压器线圈中。在每个开关周期后，我们都必须确保线圈的所有磁化释放到零，使得变压器在若干开关周期后不会饱和。利用几项不同的技术就可以从线圈中释放电能，一种常用方式是使用带有小型额外开关和电容的有源钳位。 除反激和正向拓扑外，还有很多基于不同变压器的电气隔离转换器概念。推挽拓扑类似于正向转换器拓扑，但该拓扑需要两个有源低边开关，而不是一个低边开关。与正向转换器相比，推挽转换器的优点是运行时的噪声通常更低，而且需要的变压器更小，变压器的BH曲线的滞回在两个象限而非一个象限中使用。半桥/全桥这两种拓扑通常用于更高功率的设计，从几百瓦开始一直到几千瓦。除了低端开关，它们还需要高端开关，但可通过相对较小的变压器实现很高的电能传输。 基于ADP1071反激式转换器电路设计 ADP1071-1/ADP1071-2是一款专为隔离式DC-DC电源设计的PWM电流模式固定频率同步反激式控制器。ADP1071-1/ADP1071-2集成了ADI专有iCoupler数字隔离技术，无需庞大的信号变压器和光耦合器，同时降低了系统设计的复杂性、成本，减少了元器件数量，并提高了系统的整体可靠性。ADP1071-1/ADP1071-2在原边和副边均集成了隔离器和驱动器，提供紧凑的系统级设计，在重负载下的效率优于二极管整流反激式转换器。 ADP1071同样是业界首批隔离式固定频率、电流模式控制器电气隔离电源设计一般采用反激式转换器。这些调节器的设计非常简单，下图所示为这类调节器的典型设计，其中采用了一个 ADP1071 反激式控制器。之所以能看出这是一个反激式转换器，是因为它的点和变压器并不匹配。其中采用了原边电源开关(Q1)。此外，也需要采用副边整流器电路。这可以采用肖特基二极管来实现，但为了获得更高效率，一般会使用一个有源开关（下图中为Q2）。对应的ADP1071控制器负责控制这些开关，并为反馈路径FB提供电气隔离。 
基于隔离式同步正向控制器ADP1074的设计 虽然反激式转换器极为常用，但这种拓扑存在实用局限性。上面图中的变压器T1并未作为典型的变压器使用。当Q1处于开启状态时，不会有电流流经T1的次级绕组。初级电流的电能几乎全部存储在变压器线圈中。降压转换器在扼流圈（电感）中存储电能，反激式转换器采用与之类似的方式在变压器中存储电能。当Q1处于闭合状态时，T1的次级会形成电流，为输出电容COUT 和输出提供电能。这种概念很容易实现，但在更高功率下概念本身存在局限。变压器T1被用作储能元件。所以，该变压器也能称为耦合电感（扼流圈）。这就要求变压器存储所需的电能。电源的电能等级越高，需要的变压器体积越大，成本越高。在大部分应用中，功率上限约为60 W。 如果需要使用电气隔离电源来获取更高功率，那么正向转换器是一个不错的选择。概念如下图所示。在这里，变压器真正用作典型变压器。当电流流过初级的Q1时，次级也会形成电流。所以，变压器无需具备储能作用。事实上，反过来也是成立的。必须确保变压器始终在Q1闭合期间放电，以免它在几个周期后意外达到饱和。 如果是实现相同功率，正向转换器所需的变压器体积比反激式转换器所需的体积小。所以，即使在功率等级低于60 W时，正向转换器也非常实用。但存在一个缺点，即必须避免变压器线圈在每个周期无意地存储电能，这应由图2中开关Q4和电容C C 的有源箝位布线实现。此外，正向转换器一般要求在输出端采用额外的电感L1。但是，如此之后，在同等功率水平下，输出电压的纹波会比使用反激式转换器时低。 电源管理IC ADP1074提供了一个非常紧凑的正向转换器设计解决方案。当需要高于约60 W的功率水平时，通常会使用这种结构。低于60 W时，根据电路的复杂性和可实现的效率，采用正向转换器也是比采用反激式转换器更好的选择。为了更简单地确定使用哪种拓扑，建议使用免费电路模拟器LTspice模拟仿真。下图所示为在LTspice模拟环境下，ADP1074正向转换器电路的模拟仿真原理图。 与ADP1071一样，ADP1074是业界首批隔离式固定频率、电流模式控制器。在正向转换器中，输出路径中有一个反激转换器中所没 有的额外电感。尽管这个额外的组件具有相关的空间和成本影响，但与反激转换器相比，它有助于产生较低噪声 的输出电压。此外，在与反激转换器相同的功率电平下，正向转换器所需的变压器尺寸可能要小得多。 
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