一種針對(duì)視頻安保的反激式DC/DC控制器設(shè)計(jì)方案

　即使在恐怖主義威脅引起世人高度關(guān)注之前，許多公共和私有機(jī)構(gòu)也已開始在重要的基礎(chǔ)設(shè)施中安裝視頻安保系統(tǒng)了。視頻安保提供了改善態(tài)勢(shì)感知、防止惡意破壞、偷盜或其他犯罪、加快反應(yīng)和管理決策速度以及提高全體人員和公共安全所必需的視覺(jué)圖像。

　　從機(jī)場(chǎng)到橋梁、從煉油廠到輸油/輸氣管道、從港口到高速公路等等，將視頻安保設(shè)備納入其準(zhǔn)備計(jì)劃之中無(wú)不使它們獲益良多。

　　機(jī)場(chǎng)安保的第一道防線是柵欄、關(guān)卡和圍墻。特別是諸如油庫(kù)、候機(jī)樓、甚至行李搬運(yùn)場(chǎng)地等敏感區(qū)域其安全級(jí)別更高，設(shè)置有安保檢查點(diǎn)。所有這些區(qū)域以及機(jī)場(chǎng)內(nèi)部的大多數(shù)

　　位置通常都是采用監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行監(jiān)視的。

　　對(duì)視頻安保系統(tǒng)安裝要求最為嚴(yán)苛的是賭場(chǎng)，在這里，必須對(duì)各種戲法花招和快捷無(wú)比的動(dòng)作進(jìn)行捕捉、檢查和歸檔，以滿足嚴(yán)格的管理?xiàng)l例。有策略性地安放“天眼”攝像機(jī)可為安保人員的實(shí)體設(shè)備資源提供某種補(bǔ)充, 從而幫助他們以一種及時(shí)和有效的方式來(lái)更好地疏導(dǎo)管理?yè)頂D的人群和合理地部署人員。賭博區(qū)域的高質(zhì)量視頻影像為安保專業(yè)人員提

　　供了用于防止作弊和捉獲“出千者”所需的詳細(xì)信息。

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)在零售商店中發(fā)揮著重要的作用，它可作為一種針對(duì)潛在犯罪行為的可視化防范措施，并為經(jīng)營(yíng)者和安保專業(yè)人員提供了用于處理責(zé)任索賠、員工偷盜或其他管理問(wèn)題的工具。因此，當(dāng)犯罪者在視頻上被抓現(xiàn)行時(shí)，商店行竊和員工偷盜的處理就可以更加容易。此外，借助視頻錄像，諸如顧客滑倒、跌倒和責(zé)任索賠等事件的了解和處置也會(huì)更加準(zhǔn)確。

　　在現(xiàn)今矯正機(jī)構(gòu)(如監(jiān)獄、管教所等)的管理當(dāng)中，必須例行處置的問(wèn)題非常之多，走私、暴力、囚犯和警員安全等只是其中的一小部分。因此，在維持秩序和確保安全的工作環(huán)

　　境方面，視頻安保系統(tǒng)起到了前所未有的重要作用。

　　隨著醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)規(guī)模的日益擴(kuò)大并開始提供晝夜不停的護(hù)理服務(wù)，面對(duì)各種各樣的安全風(fēng)險(xiǎn)，它們變得更加容易遭受攻擊。雖然行業(yè)指導(dǎo)準(zhǔn)則在其“護(hù)理環(huán)境”標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不斷提高安全防范水平提出了強(qiáng)制性的要求，但是，在選擇合適的工具以滿足其保護(hù)患者、訪客、員工和知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的需要方面，擁有決策權(quán)的責(zé)任者卻是各家醫(yī)院和醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)。

監(jiān)控?cái)z像機(jī)的部署

　　在大多數(shù)場(chǎng)所中，為了獲得完整的監(jiān)控覆蓋范圍也許需要好幾百部攝像機(jī)。監(jiān)視和管理多個(gè)位置設(shè)施最常用的方法之一是采用具以太網(wǎng)供電(PoE)能力的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)攝像機(jī)。此類實(shí)現(xiàn)方案能夠顯著地簡(jiǎn)化攝像機(jī)的安裝并降低相關(guān)的成本，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)和功率利用同一根電纜進(jìn)行傳輸，而且攝像機(jī)不必安裝在電源的附近。然而，對(duì)于可從一根以太網(wǎng)電纜吸取的最大功率量，則需要謹(jǐn)慎地加以對(duì)待。如欲了解可從一個(gè)PoE接口吸取的最大容許功率的更多信息，請(qǐng)查閱IEEE 802.3af(PoE)或 IEEE 802.3at(PoE+)規(guī)范。

　　監(jiān)控?cái)z像機(jī)通常采用24VDC或12VDC的工作電源電壓，功率級(jí)高達(dá)25W。PoE線路將提供48V電壓，該電壓需要進(jìn)行降壓并由于安全性及故障的原因而與其輸入至輸出隔離開來(lái)，從而導(dǎo)致電源變得更加復(fù)雜。不過(guò)，功率轉(zhuǎn)換技術(shù)近期所取得的發(fā)展已使低至中等功率隔離式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單和容易得多。

　　在隔離型DC/DC應(yīng)用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年，然而，它們卻未必是設(shè)計(jì)人員的首選。電源設(shè)計(jì)師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因?yàn)樗鼈兛山档驮O(shè)計(jì)難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實(shí)乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)的原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問(wèn)題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會(huì)使該問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)，而由于可供選擇的市售變壓器品種有限且有可能需要定制變壓器，所以導(dǎo)致此項(xiàng)設(shè)計(jì)工作變得愈發(fā)復(fù)雜。不過(guò)，凌力爾特公司近期發(fā)布的LT3748隔離型反激式控制器解決了此類反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的諸多難題。

新型反激式IC簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)

　　首先，LT3748免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時(shí)保持了主端與副端之間的隔離(只有一部分必須橫跨隔離勢(shì)壘)。LT3748運(yùn)用了一種主

　　端檢測(cè)方案，該方案能通過(guò)反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來(lái)檢測(cè)輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管負(fù)責(zé)向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和(LT3748能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個(gè)線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于±5%的總調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。圖1示出了一款采用LT3748的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。

圖1：采用主端輸出電壓檢測(cè)的LT3748反激式轉(zhuǎn)換器

　　LT3748可接受一個(gè)5V至100V的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至IC。由于具有高電壓板上LDO并采用MSOP-16封裝(去掉了4個(gè)引腳以實(shí)現(xiàn)額外的高壓引腳間隔)，因此該器件能在高輸入電壓條件下可靠運(yùn)作。另外，這款器件的板上柵極驅(qū)動(dòng)器可為一個(gè)外部N溝道功率MOSFET 供電，使得它能夠提供高達(dá)50W左右的功率(其最大輸出功率取決于外部組件選擇、輸入電壓范圍和輸出電壓)。

　　此外，LT3748所運(yùn)用的邊界模式操作進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開關(guān)，

　　并在開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定電流限值時(shí)關(guān)斷。于是，它始終工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)的轉(zhuǎn)換之時(shí)，這通常被稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。

主端輸出電壓檢測(cè)

　　隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測(cè)通常需要一個(gè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和光學(xué)驅(qū)動(dòng)器。光耦合器用于通過(guò)光鏈路來(lái)傳送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)保持隔離勢(shì)壘。然而，光耦合器傳輸

　　比會(huì)隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準(zhǔn)確度下降。

　　LT3748通過(guò)檢測(cè)變壓器主端上的輸出電壓免除了增設(shè)一個(gè)光耦合器、基準(zhǔn)電壓和光學(xué)驅(qū)動(dòng)器的需要。如圖2所示，輸出電壓可在功率晶體管關(guān)斷期間的主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)確地

　　測(cè)量，其中的N為變壓器的匝數(shù)比，VIN為輸入電壓，而VC為最大箝位電壓。LT3748通過(guò)選擇RFB和RREF以及變壓器的匝數(shù)比來(lái)設(shè)定輸出電壓。

圖2：典型的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

　　由于始終在二極管電流零交叉點(diǎn)上進(jìn)行反射輸出電壓的采樣，因此負(fù)載調(diào)節(jié)性能在邊界模式操作中得到了大幅度的改善。LT3748通?？商峁?plusmn;3%的負(fù)載調(diào)節(jié)。

變壓器的選擇和設(shè)計(jì)考慮因素

　　就LT3748 的成功應(yīng)用而言，變壓器的規(guī)格和設(shè)計(jì)可能是最為關(guān)鍵的部分了。除了處理高頻隔離型電源變壓器設(shè)計(jì)的常見注意事項(xiàng)(實(shí)現(xiàn)低漏電感和緊密耦合)之外，還必須嚴(yán)格控制變壓器的匝數(shù)比。由于變壓器副端上的電壓是由主端上的采樣電壓推知的，因此必須嚴(yán)格控制匝數(shù)比以確保獲得一致的輸出電壓。各變壓器之間±5%的匝數(shù)比容差有可能在輸出電壓中產(chǎn)生超過(guò)±5%的變化。幸運(yùn)的是，大多數(shù)磁性元件制造商都能夠保證±1%或更好的匝數(shù)比容差指標(biāo)。

　　凌力爾特公司與主要的磁性元件制造商進(jìn)行了合作，以生產(chǎn)供LT3748使用的預(yù)設(shè)計(jì)型反激式變壓器。表1是一張縮略表，羅列了一些推薦使用的市售變壓器，制造商為Wurth lectronics和Pulse Engineering 公司。完整列表請(qǐng)見LT3748 的產(chǎn)品手冊(cè)。這些變壓器一般能夠承受1,500VAC的主端至副端擊穿電壓(持續(xù)時(shí)間為一分鐘)。也可以使用擊穿電壓更高的變壓器和定制變壓器。

表1：可供LT3748使用的市售變壓器

　　LT3748可以采用LTspice 軟件(免費(fèi)下載)與表1中所列的任意變壓器來(lái)建模。仿真電路包含的信息有：電路啟動(dòng)的方式、其對(duì)于負(fù)載階躍的反應(yīng)、以及電路內(nèi)部不同點(diǎn)上的電壓波形。借助該軟件，可以很容易地完成設(shè)計(jì)變更并了解相關(guān)的變更對(duì)其電路性能的影響。

　　圖3示出了一款采用LT3748的演示電路板。該電路可接受一個(gè)范圍從22V至75V的輸入電壓， 并在高達(dá)2.5A的電流條件下產(chǎn)生一個(gè)隔離型12V輸出。

圖3：LT374830W應(yīng)用電路(尺寸：38mm x19mm x 9.5mm)

結(jié)論

　　盡管隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單；但是除了采用模塊或復(fù)雜的分立式實(shí)現(xiàn)方案之外，如今我們有了一種替代方案?；贚T3748的電路無(wú)需光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和光學(xué)

　　驅(qū)動(dòng)器，因而簡(jiǎn)化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。該器件保持了主端至副端隔離(只有一部分橫跨隔離勢(shì)壘)。容易購(gòu)置的市售變壓器避免了采用定制變壓器的需要。LT3748具有一個(gè)5V至100V的工作輸入電壓范圍，并能夠提供高達(dá)50W左右的連續(xù)輸出功率，從而使其成為眾多安保IP攝像機(jī)應(yīng)用的合適之選。