编者按：
您周围有许多隔离电源可供选择，但您需要了解系统级规格，如输出数量、调整要求、输出功率、隔离等级、工作温度和输入电压范围。因此，您可以选择成本最低、满足所有系统 要求的解决方案。
电子设计师使用的工具箱日新月异。要找到合适的工具 ，你不仅需要知道手头的任务和现有的工具，还需要知道如何充分利用它们。
对于设计师来说，移动信号和电源是隔离栅中常见的 挑战。为了提高安全性和抗噪声性能，或产生较大的电位差，可能需要在不同的系统域之间进行隔离。例如，手机充电器可以防止用户在连接器短路时触电。
敏感控制电路在工厂机器人等其他应用中单独接地，并与产生大直流电流、噪声和接地反弹的电机隔离。通常在整个隔离栅中进行通信和感应。控制器局域网 (CAN) 或 CAN 灵活数据速率 (FD) 协议通信成隔离组件和收发器组件的隔离 协议通信汽车应用CAN 收发器可以将这种 信号与汽车的高压侧隔离。
也可用于工业应用CAN 协议和 RS-485 协议实现长 串行通信。与隔离 CAN 和 CAN FD 信号相似，设计师 可专门使用 RS-485 协议设计的隔离接收器。保护继电器使用 隔离电流和电压传感器来感应整个电网中的电力传输。牵引逆变器和电机驱动器接收电机控制器发出的 脉宽调制信号，然后通过隔离器向栅极驱动器发出打开 或关闭绝缘栅双极晶体管的指令。
隔离偏置转 转换器可以通过提供从隔离栅一侧到另一侧的偏置电源来实现隔离通信和感应。电流和电压传感器、数字隔离器 和栅极驱动器通常需要 15W 以下甚至低至几十毫瓦的电源。
隔离直流/直流偏置电源要求 有许多解决方案可以提供隔离偏置电源，无论是具有外部电源开关的控制器、集成一个控制器和多个电源开关的转换器，还是集成多个控制器、电源开关和变压器 。由于偏置电源 解决方案种类繁多，涉及的应用也多种多样。为了以超低成本满足各种规范，充分了解各种应用要求非常重要。
设计师应至少了解偏置电源的输入电压范围、输出电压和输出功率要求。有些应用程序需要多个偏置电压，因此确定每个输出的可接受调整范围非常重要。隔离等级、环境工作温度范围、电磁干扰 (EMI) 与电磁兼容性 (EMC) 等系统需要进一步驱动 设计决策。表 1 从广泛的角度展示了隔离偏置转换器 的四个示例规范。
让我们来看看隔离偏置电源拓扑的一些例子。
反激式
反向转换器是一种著名的拓扑结构，几十年来得到了广泛的应用。该电源转换器具有灵活性和低成本的特点，可用于各种应用。集成场效应晶体管 (FET) 和主侧控制等增强功能，这种拓扑结构更引人注目。
与正向、推拉、半桥等降压拓扑相比，反向拓扑只需要一个初级 开关、一个整流器和一个类似变压器的耦合电感器。图 2 显示了转换器的简化原理图。当初级开关打开时，输入电压应用于初级绕组，并在变压器间隙中储存能量。在 这种情况下，只有输出电容器才能为输出负载供电。当初级开关关闭 时，储存在变压器中的能量通过整流器输送到二次侧，为负载和输出电容器供电。
反向转换器可以完全用作偏置转换器，原因如下：反向转换 可以在一个转换级中进行调整和隔离，也可以灵活地用于多个输出。您可以选择输出绕组的数量，然后将线圈缠绕在变压器上，以匹配您选择的配置。输出绕组电压是空比、主绕组和次 绕组匝数比的函数。每个输出端也可以作为不同的接地基准点，以满足系统隔离的要求。反向转换器的其他优点包括 成本相对较低，输入输出工作电压范围较宽。
为了达到最佳性能，应合理设计反向变压器。变压器 应耦合良好，泄漏感低，以提高效率，实现最佳调整，特别是在多输出的情况下。此外，还需要限制 寄生电容器之间的主侧和次侧，以防止过度的电磁干扰 (EMI)。
Fly-Buck? 转换器
Fly-Buck 转换器是德州仪器 (TI) 专用拓扑用于建造隔离偏置电源 ，其工作输入电压可高达 100V。
金属氧化物半导体场效应晶体管 与反激转换器一样(MOSFET) 通常集成在集成电路 (IC) 中，初级侧 控制可轻松实现。如图所示， 3 为 Fly-Buck转换器。此拓扑采用同步降压转 换器与耦合电感器，可产生一个或多个隔离式输出。高侧开关 打开时，初级侧作为降压转换器运行，而次级绕组电流为零。高侧开关关闭且低侧开关打开时，初级侧利用其储存的能量 对次级侧供电。
Fly-Buck 转换器拓扑很受欢迎。由于反馈环可以在主输出电压下关闭，转换器不需要额外的辅助绕组或光耦合器 来控制。耦合电感结构灵活，匝数比、隔离等级、次绕组 和 PWM 占空比可控，适用于各种应用。
与反激转换器一样，耦合电感器也必须合理设计。注意控制主侧和次侧之间的泄漏和寄生电容。需要 100V您可以使用具有上述输入的外部 MOSFET 的 Fly-Buck 转换器。
推拉式变压器驱动器
推拉式变压器驱动器是一种常用的解决方案，适用于低噪声和小型隔离电源。它由具有严格电压调节功能的输入轨道供电，开环运行，固定比例为 50%。MOSFET 集成到 IC 可实现紧凑的磁解决方案。
图片 4 显示为推挽式拓扑。推挽式拓扑是两个 MOSFET 作为接地基准，无需外部自举电路。类似于单端正激式转换器，FET电压应力是输入电压的两倍。MOSFET 每半个周期切换一次，占 50%，驱动变 压器有中间抽头绕组。
推挽式变压器驱动器是一种普遍的隔离式偏置电源解决方 案，原因如下：它具有灵活性，能支持多路输出；其开环配置 省去了反馈环路，从而简化设计。推挽式变压器具有较低的 初级-次级电容，与反激式和 Fly-Buck 转换器可以降低 模的噪声。此外，推拉式拓扑可以更有效地利用变压器芯的磁化电流，从而实现比反向和 Fly-Buck 转换器较小的磁解决方案。
变压器驱动器虽然有很多优点，但也要注意权衡利弊。与反激和 Fly-Buck 转换器不同，变压器驱动器不支持宽输入电压范围，因此需要严格调整输入电压。由于没有闭环， 不容易满足输出电压反馈调整的要求，可能需要低压降后稳压器 (LDO)。
电压模块有几十年的发展历史。这种解决方案很常见，与 分立实施相比，集成度可以显著提高。电源模块种类繁多，可提供输入电压、输出电压、输出功率、输出数量、隔离等级和调整选项。
5 显示了电源模块内部运行的方框图。它的拓扑包括变压 驱动器，类似于分立式拓扑。某些设备可以集成一个输出 LDO 用于调整。
电源模块提供多种选项，可用于大部分隔离式偏置转换器应 用。由于您无需规定、设计或选择变压器，因此可大大简化设 计过程；只需加入输入和输出去耦电容器即可开始设计。同样，也提供同步、输出电压选择、使能和错误信令等其他选项。
您在使用专门配置输出数量和变压器匝数比的模块时，灵 活性可能会有所降低。与额定环境温度为 125°C 的模块相 比，55°C 和 85°C 选项的模块更受青睐。同样地，采用完全增 强型隔离的模块数量也不及采用功能型或基本隔离的模块。
下一代偏置解决方案
变压器设计创新和更高频率的拓扑允许 IC 设计人员将变压 器和硅芯片集成到一个 IC 中。终端用户无需设计变压器或降 低系统性能，即可获得小型轻量级的隔离式直流/ 直流偏置电源。
图 6 所示为德州仪器 (TI) 偏置电源的方框图
UCC12050.尽管 UCC12050 看起来与具有集成功率级和整 流器的电源模块类似，但研究 UCC12050 的运行后发现，其 开关频率比电源模块高很多。
与开关频率较低的其他电源相比，UCC12050 的高度和重量 都显著降低。使用内部拓扑控制方案，无需 LDO 或外部反馈 组件即可实现闭环运行。
UCC12050 为各种隔离式直流/直流偏置电源应用带来很多 优势。其设计使用 EMI 优化型变压器，初级侧与次级侧之间 的电容仅为 3.5pF，采用噪声控制方案。无需铁氧体磁珠或 LDO，双层 PCB 解决方案本身即符合 CISPR32 B 类标准。该 器件性能强劲，增强型隔离额定值为 5kVrms，额定工作电压 为 1.2kVrms，可在 125°C 环境温度下运行。该器件系列还包 括 UCC12040，其基本隔离额定值为 3kVrms，额定工作电压 为 800Vrms。
UCC12050 专用于 5V 输入、3.3V 至 5.4V 输出、功率为 500mW 的应用。要求更高输入或输出电压的应用将需要前 置或后置转换功能。此外，对于要求功率在 UCC12050 降额 曲线以上的设计，应了解替代拓扑。
表 2 对上述各种拓扑进行了比较。 很明显，具有外部变压器 的拓扑能带来最大的灵活性，而电源模块和 UCC12050 简便易用。
结论
您身边有许多隔离式电源可以选择，但需要了解输出数量、调节要求、输出功率、隔离等级、工作温度和输入电压范围等系统级规格。为此，您可以选择这种成本最低、可满足所有系统 要求的解决方案。
福利
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