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【设计秘笈】用Fly-Buck转换器加快隔离式电源轨设计

editor Chen 发布于:周四, 07/07/2016 - 17:19 ,关键词:

作者:德州仪器 (TI) 系统和应用工程师Vijay Choudhary
导读:Fly-Buck及耦合电感器降压转换器以更低的成本、更小的尺寸,以及更简单的设计实现了隔离式和双极电源轨。
隔离式偏置电源轨在测试和测量设备、过程控制、电信系统、楼宇基础设施、以及工业自动化系统中很常见。传统上,隔离式电源的设计是一个冗长而又乏味的过程,因为其中涉及环路补偿、光耦合器、额外的绕组、和/或者初级侧电源轨。

与低功率级相比,其中涉及的工作量、复杂度、解决方案尺寸、以及成本都过高。

这份白皮书将为您介绍:Fly-Buck转换器可通过设计简单,容易使用,成本划算的方式生成多个隔离式电源轨。本文给出了不同应用领域内的实际示例,以显示基于Fly-Buck的方法在功率高达15W的低功率隔离式设计方面的有效性。这些示例有助于设计人员找到那些与特定偏置功率要求相近似的解决方案。文中引用的设计示例和资源能够帮助设计人员更有信心的在系统中设计并运行隔离式电源解决方案。

现代电子系统中的隔离式电源轨

现代电子系统包含大量的分布式电源轨;这些电源轨为多种数字和模拟电路供电。很多系统或子系统,特别是那些需要人工干预的系统,为了保证它们的安全性,需要将它们与主电源隔离开来。这些系统包括工业过程控制、楼宇自动化、电信基础设施系统、以及医疗设备,以及其他一些系统。图1至6给出了几个应用了隔离式电源轨的系统示例。Fly-Buck转换器方法是更简单的方法,在这些系统和其它相似应用中生成偏置电源轨。

一个常见应用领域就是工厂自动化,其中的一个24V DC电源轨或者一个定制的以太网供电 (PoE) 组成了系统分布式电源骨干的一部分(图1)。分布于整个系统中的控制和传感器块需要由偏置电源供电;而这些偏置电源要与主电源总线隔离开来。参考设计1中包含一个为可编程逻辑控制器 (PLC) I/O模块供电的完整设计。

“用Fly-BuckTM转换器加快隔离式电源轨设计”

图1.工业应用中的隔离式电源轨

另外一个常见的应用领域是隔离式DC/DC转换器或电机控制中的栅极驱动偏置电源。MOSFET、IGBT,或基于碳化硅 (SiC) 的功率级需要隔离式电源轨作为驱动器,以及控制电路供电;而这些驱动器或控制电路也许与电源不在同一侧,而是位于隔离边界的另一侧。高侧驱动器还需要浮动偏置电源轨;这些电源轨用高达数百伏电压与低侧电源轨分离开来(图2)。参考设计2是一个完整的,针对3相电机控制系统的Fly-Buck偏置电源设计。

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图2. IBGT/SiC/MOSFET栅极驱动偏置电源轨

图3显示的是具有初级和次级驱动器偏置电源的电信DC/DC转换器。这个次级侧控制器电源源自一个单个Fly-Buck转换器。参考设计3是针对这个偏置电源的完整参考设计。

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图3.电信DC/DC转换器偏置电源

医疗设备通常需要隔离功能,以保证病患和操作人员的人身安全。隔离式转换器使用的另外一个领域就是为很多高性能运算放大器 (op amp) 和其它放大器类型生成双极电源。隔离式输出经常被用于生成其中一个±电源轨(图4)。

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图4.用于仪表的双极 (±) 电源轨

另外,变压器隔离还常用于降压-升压应用或电压稳定器。在这些应用中,输入电压在标称电源轨电压的上下大幅波动。使用变压器可以简化稳压器设计,其原因在于变压器被用来升压,而开关DC/DC转换器可被用来调节电压。相对于使用非隔离式转换器,使用变压器的拓扑可更易生成低功率、降压-升压转换器(图5)。

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图5.低功率降压-升压转换器/电源轨稳定器

图6显示的是一个具有-48V电源轨的电信系统。其中需要一个5V/500mA电源轨;此电源轨并不是以系统返回电源轨 (-48V) 为基准,而是相对于接地。一个隔离式电源能够轻易地从-48V输入电源轨中生成一个正(或负)电平位移电源轨。

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图6.电平位移电源轨

创建隔离式电源轨

这一部分将介绍几个常用的隔离式电源轨生成方法,以及每个方法的优缺点。

生成隔离式电源轨的其中一个方法就是使用反激式转换器。在10-100W的功率范围内,反激式的确是创建隔离式电源的一种十分划算的方法。然而,反激式拓扑设计相对复杂。为了实现稳定性,它经常需要涉及到与补偿设计有关的复杂设计过程。它还需要针对电压稳压的隔离式反馈,而实现稳压需要一个额外的变压器绕组或光耦合器。功率级本身对于变压器泄露电感十分敏感。这就需要精细的缓冲器设计,能够将开关节点的电压尖峰限定在一个合理的值。因此,对于电子系统中常用到的功率相对较低的电源轨,反激式解决方案通常就显得过于复杂了。简言之,对于低功率偏置电源设计来说(10W或更低),反激式不是一个合适的拓扑。

生成隔离式偏置电源轨的另外一个常见方法就是使用一个驱动器和变压器电路,比如说,一个具有中央抽头变压器的推挽驱动器。当输入电源经过稳压,并且功率要求很低时 (1-2W),这个开环路方法会比较有用。对于多变或者功率级较高的输入电源轨来说,变压器驱动器方法在电路复杂度和/或性能方面没有什么吸引力。

对于具有主功率级的系统,可使用主电力转换级的辅助绕组来生成辅助偏置电源。这个过程已经被有经验的设计人员长期使用。这样可以获得具有成本有效性的解决方案,不过这一方法也会使得主功率级的设计因偏置电源的设计与主电源设计混合在一起而变得复杂。此外,这个方法只在为主电源生成偏置电源时,以及/或者在主电源周围生成偏置电源时有用。

什么是Fly-BuckTM转换器?

Fly-Buck转换器是一个同步降压转换器,其中的电感器被耦合电感器或反激式变压器所取代。次级输出电压 (VOUT2) 由一个对次级绕组进行整流的二极管生成。如图7所示,当同步开关 (Q2) 接通时,初级输出电容器 (COUT1) 在每个开关周期内对次级输出电容器 (COUT2) 充电。

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图7. 一个Fly-Buck转换器的运行

要获得Fly-Buck转换器的详细说明和工作原理,请参见参考文献4。

Fly-Buck转换器的优点

Fly-Buck转换器是一个初级侧稳压 (PSR)拓扑。它无需隔离式输出感测,从而避免了对于额外变压器绕组或光耦合器的需要。如表格1中所示,由于其中具有一个包含了集成高侧和低侧开关的65V/100V Fly-Buck系列,使用Fly-Buck进行的隔离式偏置电源设计往往变得更加简单,尺寸也更加小巧。

如果应用同时需要隔离式和非隔离式电源轨,Fly-Buck拓扑就是一个具有高成本有效性的解决方案。可以在不增加额外系统开销的情况下使用Fly-Buck转换器(从本质上说,它是一个降压转换器)的初级输出。

对于需要多个隔离式电源轨的系统,由于可以使用变压器中的多余绕组来创建额外输出,而又不会对整个设计过程产生任何影响,Fly-Buck是一个比较理想的选择。而对于多个隔离式输出来说,专用隔离式反馈环路的优势就会大打折扣,其原因在于隔离环路只是改进了一个输出的稳压。参考文献1-3内有一个具有3、4、8个电源轨的完整Fly-Buck解决方案。

Fly-Buck变压器经常使用接近于对称的匝数比。通常可以使用匝数比为1:1或1:1.5。通常情况下,具有匹配匝数比的变压器更加小巧。相对来说,反激式设计的匝数比往往是十分不匹配的。

正是由于它的这些优点和简单性,Fly-Buck转换器的性能往往会随着功率级的增加而下降。由于无源次级侧稳压,Fly-Buck只能被应用于功率较低的情况下。图8中显示的是Fly-Buck解决方案在哪些方面比其它方法更具有吸引力。

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图8.针对不同功率等级所建议的隔离式转换器类型

影响Fly-Buck稳压的因素

Fly-Buck转换器使用一个闭合环路控制器来调节初级输出电压 (VOUT1)。次级输出 (VOUT2) 由变压器(磁性)耦合,从初级输出上进行间接调节。次级输出稳压是无源的或者是开环的。以下电路参数会对次级输出稳压产生影响:

绕组泄漏电感
绕组电阻
同步开关RDSON

为了实现更好的次级输出 (VOUT2) 稳压,需要选择一个低泄漏(更高耦合度)变压器。1%或者更低的泄露电感是一个比较合理的设计目标。

Fly-Buck变压器或耦合电感器

Fly-Buck拓扑中使用的变压器是一个耦合电感器或是一个反激式变压器。它就像降压转换器中的一个电感器一样储存能量。正激式、半桥、或全桥拓扑中使用的变压器不储存能量,或者储存的能量可以忽略不计,并且不适用于Fly-Buck拓扑。

设计或选择Fly-Buck磁性元件的最简单直接的方法就是将它看作是一个电感器。通常情况下,(耦合)电感器的选择是基于电感值、匝数比、以及饱和电流额定值的,而变压器的设计或选型使用诸如伏秒积、磁通密度、匝数、磁芯体积,以及很多其它参数。大多数工程师更喜欢使用电感和峰值电流额定值等电气量,而不是磁测量。将Fly-Buck变压器视为一个耦合电感器有助于设计人员将注意力放在电路方面。只有在需要定制变压器时才需要了解变压器设计的细节。

很多磁性元件厂商提供Fly-Buck变压器。参考文献5内有一个建议变压器产品型号列表,以及使用这些产品的参考设计。此外,还有很多现成在售的耦合电感器可用于Fly-Buck设计。任何一款具有合适匝数比的反激式变压器也可用在Fly-Buck设计中。

Fly-Buck转换器能够处理多大功率?

Fly-Buck拓扑在低侧开关(同步整流器)导电时将电力传输至次级。在控制开关的占空比 (D=TON/T) 增加时,同步开关的占空比减少 (1-D)。对于一个指定的平均次级电流,次级绕组内的峰值电流、初级绕组和同步整流器内的峰值反射电流增加。由于流入变压器大电流,以及开关阻抗的缘故,稳压将会受到影响。这个阻抗由绕组的电阻和泄露电感,以及同步开关内的电阻组成。

为了保持良好稳压,Fly-Buck转换器的占空比应该保持在50%以下 (D

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图9.Fly-Buck转换器的最大输出功率

结论

Fly-Buck拓扑是一种操作简易,能创建隔离式、双极、或多电源轨电源的方法。潜在的应用领域包括工业自动化、楼宇基础设施、电信设备、医疗设备、以及测试和测量系统。相对于其它那些涉及反激式,或分立式变压器驱动器,或者针对低功率偏置电源设计的推挽方法,Fly-Buck拓扑具有多个优势。TI充分提供的Fly-Buck稳压器IC产品可以支持高达100V的电源轨,从而满足了工业和电信应用的需要。此外,数款现成可用的设计还可以大大减少了隔离式偏置电源解决方案的设计时间、工作量,以及所需的专业知识。

参考文献

  1. 参考设计PMP7993.1:使用LM5017 FlyBuck为PLC I/O模块供电
  2. 参考设计TIDA-00199:用于三相逆变器的宽输入隔离型IGBT栅极驱动Fly-Buck电源-参考设计
  3. 参考设计PMP7798.1:低功耗隔离式电源 24V => 5V,LM5017
  4. Choudhary,Vijay. AN-2292设计一个隔离式降压 (Fly-Buck) 转换器,德州仪器 (TI) 使用说明书,2014年12月
  5. Kollman,Robert. 为Fly-Buck转换器挑选合适的匝数比,EETimes,2014年2月18日
  6. 下载这些数据表:LM5160ALM5017LM5018LM5019
  7. Choudhary,Vijay. Fly-Buck转换器PCB布局布线技巧,TI Power House,2014年4月1日
  8. Choudhary,Vijay. 隔离式电源何时需要Fly-Buck?ECN,2014年8月4日
  9. Xiang Fang与Wei Liu,产品入门:Fly-Buck在不使用光耦合器的情况下,在降压转换器中增加经良好稳压的隔离式输出,EDN,2014年4月6日
  10. 现成可用的Fly-Buck参考设计
  11. 这里有关于Fly-Buck宽VIN解决方案的更多信息
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