各種工業(yè)和汽車系統(tǒng)都使用隔離式偏置電源。大多數(shù)現(xiàn)有方法使用反激式或推挽式轉換器來實現(xiàn)隔離偏置電源需要大量的設計工作，并且依賴于低漏感隔離變壓器。

在本電源技巧中，我想介紹兩種方法，它們既可以降低設計復雜性，又可以降低隔離偏置電源中的噪聲耦合。一種方法適用于多個隔離輸出且總輸出功率高達 8 W，它使用電感器-電感器-電容器 (LLC) 拓撲以及半橋驅動器(例如 TI 的UCC25800-Q1)。第二種方法集成了隔離變壓器，適用于高達 1.5 W 的功率和一個隔離輸出，并使用單個集成電路 (IC)，例如 TI 的UCC14240-Q1。該器件包含電源和反饋隔離，僅需要濾波電容器和電阻分壓器即可完成設計。

隔離電源的復雜性，尤其是在低功率水平下，會帶來巨大的成本、尺寸和設計資源負擔。最常見的低功耗拓撲是反激式轉換器。傳統(tǒng)的反激式轉換器使用光耦合器將次級側的輸出電壓反饋至初級側的控制器IC。由于長期可靠性問題，低成本光耦合器不適用于要求苛刻的汽車和工業(yè)環(huán)境。即使采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，也只有其中一個反激輸出真正得到完全調(diào)節(jié)。具有初級側調(diào)節(jié)功能的反激式轉換器可消除任何光耦合器要求，例如 TI 的LM5180-Q1。然而，對低泄漏變壓器的需求及其噪聲和隔離挑戰(zhàn)仍然存在。

對于大多數(shù)轉換器拓撲，低泄漏變壓器是跨隔離柵高效供電的關鍵。減少變壓器漏感的方法，例如緊密耦合繞組和交錯，通常會增加初級到次級的電容。該電容會傳播來自隔離轉換器開關本身以及隔離輸出所連接的電路(例如牽引逆變器或車載充電器中的高側開關)的噪聲。這些開關可以以每納秒超過 100 V 的速度上下擺動。此外，需要高(幾千伏)增強隔離和低漏感的變壓器存在巨大的成本和尺寸負擔。

我在這里的重點是大約 8 W 或更低的高度隔離電源需求，其中可用的初級側電源在 12 V DC至 24 V DC范圍內(nèi)。當連接到交流電源或 400V 和 800V 電池的電路中需要電源時，需要高隔離額定值(3kV 均方根 [RMS] 或更高)來滿足安全隔離要求。應用示例包括電動汽車和牽引逆變器的車載充電器中的隔離偏置電源，這些電源通常需要大約 +15 V 來快速開啟開關，大約需要 –5 V 來快速關斷開關，其回路連接到發(fā)射極或電源大功率開關。

一個 IC 可實現(xiàn)多個輸出且功率高達 8 W：UCC25800-Q1

LLC 拓撲無需反饋即可實現(xiàn)隔離輸出電壓的良好負載調(diào)節(jié)。這種拓撲實際上利用變壓器的漏感來提供軟開關，并大大降低主開關管的開關損耗。事實上，漏感對輸出調(diào)節(jié)的影響可以通過耦合電容有效地調(diào)節(jié)，從而允許使用高隔離變壓器，其中初級和次級位于單獨的線圈架上。這導致非常低的耦合電容，以實現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲和高增強型(數(shù)千伏)隔離，以實現(xiàn)安全目的。軟開關與耦合電容器對漏感的調(diào)諧相結合，使漏感從敵人變成了朋友。

這種方法確實需要穩(wěn)定的輸入直流電壓來供電，以避免二次側調(diào)節(jié)的需要。使用雙開關半橋(用于此處所需的低功率水平)，將輸入電壓二分之一的方波施加到變壓器初級。對于汽車應用，通常有 12 V 或 24 V 的穩(wěn)壓直流電壓用于其他目的。如果需要預穩(wěn)壓器，一個簡單的單端初級電感轉換器將提供穩(wěn)壓的 15V 或 24V 輸入電源。這種預調(diào)節(jié)器的設計負擔通常遠小于抑制低泄漏反激變壓器引起的系統(tǒng)噪聲的挑戰(zhàn)。

已發(fā)布的 UCC25800-Q1 設計示例包括“用于牽引逆變器應用的預調(diào)節(jié)隔離式驅動器偏置電源參考設計”：四個輸出，30V 時總功率為 6 W(如圖 1和圖 2所示)以及“隔離式 IGBT 和適用于牽引逆變器應用的 SiC 驅動器偏置電源參考設計”，+16V/–5V，最大關閉電壓為 24V，輸出功率為 6.6W。絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC) 驅動器參考設計中使用的變壓器的初級到初級的典型值僅為 1.3pF。次級電容，而類似功率的反激變壓器的典型值為 20pF。電容減少了 10 倍以上，意味著系統(tǒng)中的噪聲傳播至少減少了 20 dB。唯一的初級和次級接口是變壓器。

圖 1來自預穩(wěn)壓參考設計原理圖 — 隔離式四輸出轉換器。

圖 2預穩(wěn)壓參考設計組裝板，包括來自 6 V IN 的升壓電路。

對于最大負載的 10% 至 100% 的負載，四個輸出的輸出調(diào)節(jié)范圍為 16.25 V 至 17.27 V。

當您需要低于 2 W 的隔離電源時，一種更簡單的方法：UCC14240-Q1

一種更簡單的方法是使用獨立的隔離轉換器 IC，它集成了變壓器和次級到初級的反饋，僅需要輸入/輸出電容器和分壓器來設置正輸出和負輸出。功率級包括初級側全橋、初級到次級電容約為 3.5 pF 的極低隔離變壓器，以最大程度地減少系統(tǒng)噪聲耦合，以及全橋輸出整流器。選擇 13 MHz 的開關頻率既可以實現(xiàn)低初級到次級電容，又可以很好地消除其自身的開關噪聲，使其遠離汽車應用中任何需要關注的頻段。 IC 的內(nèi)部反饋允許輸入電壓與標稱電壓的變化超過 ±10%，但仍能提供良好調(diào)節(jié)的正電壓和負電壓，誤差在標稱輸出的 1.3% 以內(nèi)。該 IC 表明拓撲復雜性(完全包含在 IC 內(nèi)部)并不是設計負擔。

UCC14240-Q1 采用 21 V IN至 27 V IN工作電壓，面向牽引逆變器、車載充電器和電機控制中的 IGBT 和 SiC 金屬氧化物半導體場效應晶體管的柵極驅動應用，典型正電壓為 +15 V打開器件，并使用 –5V 的典型負電壓關閉器件。不過，在 18V 至 25V 的總電壓范圍內(nèi)，也允許使用其他正負電壓組合。

圖 3、圖 4和圖 5顯示了一個獨立的高隔離示例，其中計劃采用 3,000V RMS隔離，作為“ SPI 可編程柵極驅動器和偏置電源參考設計”的一部分。 U1 是實際的 DC/DC 隔離電源，U3 是智能隔離柵極驅動器，U2 以及 Q1 和 L1 是汽車電池直流轉換器。請注意 8 毫米的初級到次級隔離谷。

圖 3來自汽車“具有集成變壓器的 SPI 可編程柵極驅動器和偏置電源參考設計”原理圖 — 隔離式 +15V/–5V 轉換器。

圖 4汽車 SPI 可編程參考設計組裝板。

這兩種方法使得為高功率逆變器和電池充電器中的柵極驅動器提供隔離電源不再是一個設計挑戰(zhàn)，而且還可以降低系統(tǒng)級的射頻噪聲。第一種方法可實現(xiàn)由單個 IC 控制的多個隔離輸出。采用第二種方法，僅具有濾波電容器和分壓電阻器的一個 IC 提供了完整的隔離電源解決方案。