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本期，我們將聚焦于隔離式輔助電源介紹兩種方法，可以用于降低隔離式輔助電源中的設計復雜性和噪聲耦合。

各種各樣的工業和汽車系統都會使用隔離式輔助電源。在大多數使用反激式或推挽式轉換器來實現隔離式輔助電源的現有方法中（請參閱德州儀器 (TI) “混合動力汽車/電動汽車的隔離式輔助電源架構和拓撲權衡”和“具有 3 種 IGBT/SiC 輔助電源解決方案的混合動力汽車/電動汽車牽引逆變器功率級參考設計”），都需要進行大量的設計工作，并且依賴于低漏電感隔離變壓器。

在本期電源設計小貼士中，我將介紹兩種方法，它們都可以降低隔離式輔助電源中的設計復雜性和噪聲耦合。一種方法適用于多個隔離式輸出和高達 8W 總輸出功率，它使用電感器-電感器-電容器 (LLC) 拓撲，以及半橋驅動器，如 TI 的 UCC25800-Q1。第二種方法集成有隔離變壓器，適用于高達 1.5W 的功率和一個隔離式輸出，它采用單一集成電路 (IC)，如 TI 的 UCC14240-Q1。該器件同時包含電源和反饋隔離，僅需濾波電容器和電阻分壓器即可完成設計。

由于隔離式電源的復雜性，尤其是在低功率水平下，將會造成巨大的成本、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。常規反激式轉換器使用光耦合器，將輸出電壓從次級側反饋回初級側上的控制器 IC。由于長期可靠性問題，低成本光耦合器不適合在要求苛刻的汽車和工業環境中選用。即使采用閉環調節，也只會真正完全調節其中一個反激式輸出。可以采用具備初級側調節的反激式轉換器，消除任何光耦合器要求，如 TI 的 LM5180-Q1。然而，對低漏電變壓器的需求及其在噪聲和隔離方面的挑戰仍然存在。

在大多數轉換器拓撲中，低漏電變壓器是穿過隔離柵高效輸電的關鍵。一些方法可以減少變壓器漏電感，如緊密耦合的繞組和交錯，它們通常會增加初級到次級電容。該電容會傳播來自隔離式轉換器開關本身以及隔離式輸出所連接電路（如牽引逆變器或車載充電器中的高側開關）的噪聲。這些開關可能以超過每納秒 100V 的幅度上下擺動。此外，在需要高壓（數千伏）增強隔離和低漏電感的變壓器中，會造成顯著的成本和尺寸負擔。

我這里將重點關注大約為 8W 或更低的高度隔離電源需求，此時可用的初級側電源范圍為 12VDC 至 24VDC。當連接到交流電源或 400V 和 800V 電池的電路中需要電源時，高隔離額定值（3kV 均方根 [RMS] 或更高）是滿足安全隔離要求所必需的。應用示例包括，電動汽車車載充電器和牽引逆變器中的隔離式輔助電源，它們通常需要大約 +15V 的電壓來實現快速開關導通，需要大約 –5V 的電壓來實現快速開關關斷，并且回路連接到大功率開關的發射極或源極。

一個 IC 實現多個輸出和高達 8W 的功率：UCC25800-Q1

利用 LLC 拓撲（請參閱應用手冊“采用 UCC25800-Q1 開環 LLC 變壓器驅動器的隔離式柵極驅動器輔助電源設計”），可在沒有反饋的情況下實現隔離式輸出電壓的良好負載調節。此拓撲實際上使用變壓器的漏電感來提供軟開關，可以大幅降低主開關中的開關損耗。通過耦合電容，實際上可以消除漏電感對輸出調節的影響，因此可以使用高壓隔離變壓器，使初級側和次級側分別位于單獨的線軸上。這使得耦合電容非常低，從而實現低系統噪聲和高壓（數千伏）增強隔離，滿足安全需求。軟開關與通過耦合電容器消除漏電感相結合，可以將漏電感化敵為友。

這種方法確實需要穩定的輸入直流電源來供電，從而避免對次級側調節的需求。在使用雙開關半橋（用于此處所需的低功率水平）的情況下，會將一半輸入電壓的方波施加到變壓器初級側。在汽車應用中，通常會有 12V 或 24V 穩壓直流電壓以用于其他用途。如果前置穩壓器必不可少，則簡單的單端初級電感轉換器將會提供穩定的 15V 或 24V 輸入電源。相比控制低漏電反激式變壓器引起的控制系統噪聲這一挑戰，此前置穩壓器的設計負擔通常要小得多。

已發布的 UCC25800-Q1 設計示例包括，“適用于牽引逆變器應用的預調節隔離式驅動器輔助電源參考設計”：四個輸出，30V 下總共 6W（如圖 1 和圖 2 所示）；以及“適用于牽引逆變器應用的隔離式 IGBT 和 SiC 驅動器輔助電源參考設計”，采用 +16V/–5V，實現 24V 下最大 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僅具有 1.3pF 典型值的初級到次級電容，而類似功率的反激式變壓器的典型值為 20pF。這一超過 10 倍的電容減小幅度，表示系統中的噪聲擴散至少會降低 20dB。僅有的初級和次級接口是變壓器。

圖 1.來自預調節參考設計原理圖

隔離式四輸出轉換器

圖 2.預調節參考設計裝配板，

包含輸入電壓為 6VIN 的升壓電路

在負載為 10% 最大負載至 100% 最大負載的范圍內，四個輸出的輸出調節從 16.25V 到 17.27V 不等。

需要低于 2W 隔離式電源時的一種更簡單的方法：UCC14240-Q1

更為簡單的方法是使用自包含隔離式轉換器 IC，其中集成有變壓器和次級到初級反饋，只具有設置正負輸出所需的輸入/輸出電容器和分壓器。功率級包括一個初級側全橋、一個具有極低初級到次級電容（約為 3.5pF）以盡可能降低系統噪聲耦合的隔離變壓器，以及一個全橋輸出整流器。通過選擇 13MHz 開關頻率，可實現這種低初級到次級電容，并使其自身的開關噪聲遠離汽車應用中任何需要關注的頻帶。IC 的內部反饋使輸入電壓能夠與標稱電壓相差 ±10% 以上，并且仍然提供良好調節的正負電壓，達到標稱輸出的 1.3% 以內。此 IC 表明拓撲復雜性（完全包含在 IC 中）不會造成設計負擔。

UCC14240-Q1 在 21VIN 至 27VIN 下工作，適用于牽引逆變器、車載充電器和電機控制中 IGBT 和 SiC 金屬氧化物半導體場效應晶體管的柵極驅動應用，它使用 +15V 典型正電壓來導通器件和 –5V 典型負電壓來關斷器件。不過，也允許 18V 至 25V 總電壓范圍內的其他正負電壓組合。

圖 3、圖 4 和圖 5展示了一個自包含高隔離示例，該示例具有 3000VRMS 計劃隔離，是“SPI 可編程柵極驅動器和輔助電源參考設計”的一部分。U1 是實際的直流/直流隔離式電源，U3 是智能隔離式柵極驅動器，而具有 Q1 和 L1 的 U2 是汽車電池到直流轉換器。請注意 8mm 初級到次級隔離谷。

圖 3.來自汽車類“帶集成變壓器的

SPI 可編程柵極驅動器和輔助電源參考設計”原理圖

隔離式 +15V/–5V 轉換器

圖 4.汽車類 SPI 可編程參考設計裝配板

圖 5.1.6W 負載汽車類 SPI 可編程參考設計熱圖像

憑借這兩種方法，為大功率逆變器和電池充電器中的柵極驅動器提供隔離式電源遠構不成一種設計挑戰，而額外的好處是還可以減少系統級射頻噪聲。第一種方法可實現通過單個 IC 來控制多個隔離式輸出。在第二種方法中，僅具有濾波電容器和分壓電阻器的單一 IC 便可以提供完整的隔離式電源解決方案。