隔離式放大器是如何代替光耦合器/分流調(diào)節(jié)器的

設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)隔離式AC-DC、DC-DC或DOSA兼容型電源模塊時(shí)，面臨著以更佳的性能應(yīng)對市場需求的挑戰(zhàn)。本文介紹數(shù)字隔離器誤差放大器，它可改進(jìn)初級端控制架構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)和工作溫度范圍。傳統(tǒng)的初級端控制器應(yīng)用是利用光耦合器提供反饋回路隔離，利用分流調(diào)節(jié)器提供誤差放大器和基準(zhǔn)電壓。雖然光耦合器作為隔離器用于電源中具有成本低廉的優(yōu)勢，但它會將最大環(huán)路帶寬限制在50kHz，而且實(shí)際帶寬會低得多。快速可靠的數(shù)字隔離器電路在單封裝內(nèi)集成隔離式誤差放大器和精密基準(zhǔn)電壓源功能，使用該電路可實(shí)現(xiàn)極低溫漂和極高帶寬的精密隔離式誤差放大器。隔離式誤差放大器能實(shí)現(xiàn)250 kHz以上的環(huán)路帶寬，使得以更高開關(guān)速度工作的隔離式初級電源設(shè)計(jì)成為可能。借助正確的電源拓?fù)?，更高的開關(guān)速度可支持在更為緊湊的電源中使用更小的輸出濾波器電感和電容。

我們首先將討論一個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，因?yàn)榫驮骷?shù)目而言，它是最簡單的電路。反激式電路使用最少的開關(guān);本例中，僅在初級端使用了一個(gè)開關(guān)，并在次級端使用了一個(gè)整流二極管。簡單反激式電路通常用于輸出功率相對較低的應(yīng)用中，但它確實(shí)具有高輸出紋波電流和低交越頻率，因?yàn)榇嬖谟野肫矫?RHP)零點(diǎn)。結(jié)果，反激式電路需要具備較大輸出紋波電流額定值的大輸出電容。圖1顯示采用光耦合器的方式，分流調(diào)節(jié)器在其中用作隔離式輸出電壓Vo的反饋電壓誤差放大器。分流調(diào)節(jié)器用作精確標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可提供精度典型值為2%的基準(zhǔn)電壓。輸出電壓經(jīng)過分壓，然后由內(nèi)部誤差放大器將其與分流調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸出至光耦合器的LED電路。光耦合器LED由輸出電壓和串聯(lián)電阻偏置，所需的電流量根據(jù)光耦合器電流傳輸(CTR)特性確定。

圖1. 帶光耦合器和分流調(diào)節(jié)器的反激式調(diào)節(jié)器框圖CTR為晶體管輸出電流和LED輸入電流之比。CTR的特性不是線性的，因光耦合器而異。如圖2所示，光耦合器CTR值會在整個(gè)工作壽命內(nèi)變化，對設(shè)計(jì)穩(wěn)定性提出挑戰(zhàn)。今天設(shè)計(jì)并測試的光耦合器其初始CTR通常具有2比1的不確定性，但長期工作在高功率和高密度電源的高溫環(huán)境下，幾年以后CTR將下降40%。將光耦合器用作線性器件時(shí)，它具有相對較慢的傳輸特性(小信號帶寬約50 kHz)，因此對電源的環(huán)路響應(yīng)也較慢。對于反激式拓?fù)涠裕^慢的傳輸特性可能并不存在任何問題，因?yàn)樵撏負(fù)湟筢槍档铜h(huán)路帶寬而對誤差放大器作出補(bǔ)償，以便輸出穩(wěn)定。問題在于，隨著時(shí)間的推移，光耦合器輸出特性的變化可能會迫使設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步降低環(huán)路響應(yīng)，以確保環(huán)路的穩(wěn)定性。環(huán)路響應(yīng)較慢的缺點(diǎn)在于這樣做會使瞬態(tài)響應(yīng)性能下降，且負(fù)載瞬態(tài)之后的輸出電壓需更長的時(shí)間才能恢復(fù)。增加一個(gè)更大的輸出電容有助于減少輸出電壓的下降，但會增加輸出響應(yīng)時(shí)間。這樣做會導(dǎo)致電源設(shè)計(jì)更復(fù)雜且更為昂貴；而尺寸更小、成本更低的解決方案是可以實(shí)現(xiàn)的。

圖2. 光耦合器CTR下降

前文說明了光耦合器作為線性隔離器使用時(shí)在工作穩(wěn)定性方面的困難;了解之后，便能檢查隔離式誤差放大器隨時(shí)間和極端溫度變化提供穩(wěn)定可靠性能的能力。如圖3所示，現(xiàn)以寬帶運(yùn)算放大器和1.225 V基準(zhǔn)電壓源部分代替分流調(diào)節(jié)器和VREF功能，并以基于數(shù)字隔離器技術(shù)的快速線性隔離器代替光耦合器。器件右側(cè)的運(yùn)算放大器具有同相引腳+IN(連接至內(nèi)部1.225 V基準(zhǔn)電壓源)和反相引腳-IN，可用于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出的反饋電壓連接(使用分壓器實(shí)現(xiàn)連接)。COMP引腳為運(yùn)算放大器輸出，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中可連接電阻和電容元件。COMP引腳從內(nèi)部驅(qū)動(dòng)發(fā)送器模塊，將運(yùn)算放大器輸出電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制脈沖輸出，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)字隔離變壓器。在隔離式誤差放大器左側(cè)，變壓器輸出信號解碼后轉(zhuǎn)換為電壓，驅(qū)動(dòng)放大器模塊。放大器模塊產(chǎn)生EAOUT引腳上的誤差放大器輸出，驅(qū)動(dòng)DC-DC電路中PWM控制器的輸入。

圖4. 隔離式誤差放大器輸出精度與溫度的關(guān)系

這款最新的隔離式誤差放大器的優(yōu)勢包括：基準(zhǔn)電壓源和運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為溫度范圍內(nèi)具有最小的失調(diào)和增益誤差漂移。1.225 V基準(zhǔn)電壓源電路在溫度范圍內(nèi)的精度調(diào)整為1%，比分流調(diào)節(jié)器更精確，且漂移量更低。如圖4所示，隔離式誤差放大器的典型輸出特性在-40℃至+125℃范圍內(nèi)的變化量僅為0.2%，實(shí)現(xiàn)了高度精確的DC-DC輸出。為了保持穩(wěn)定的輸出特性，運(yùn)算放大器的COMP輸出經(jīng)脈沖編碼，可越過隔離柵發(fā)送數(shù)字脈沖，然后由數(shù)字隔離變壓器模塊解碼回模擬信號，完全解決了使用