作者：德州儀器 (TI) 系統和應用工程師Vijay Choudhary 導讀：Fly-Buck及耦合電感器降壓轉換器以更低的成本、更小的尺寸，以及更簡單的設計實現了隔離式和雙極電源軌。 隔離式偏置電源軌在測試和測量設備、過程控制、電信系統、樓宇基礎設施、以及工業自動化系統中很常見。傳統上，隔離式電源的設計是一個冗長而又乏味的過程，因為其中涉及環路補償、光耦合器、額外的繞組、和/或者初級側電源軌。 與低功率級相比，其中涉及的工作量、復雜度、解決方案尺寸、以及成本都過高。 這份白皮書將為您介紹：Fly-Buck轉換器可通過設計簡單，容易使用，成本劃算的方式生成多個隔離式電源軌。本文給出了不同應用領域內的實際示例，以顯示基于Fly-Buck的方法在功率高達15W的低功率隔離式設計方面的有效性。這些示例有助于設計人員找到那些與特定偏置功率要求相近似的解決方案。文中引用的設計示例和資源能夠幫助設計人員更有信心的在系統中設計并運行隔離式電源解決方案。 現代電子系統中的隔離式電源軌 現代電子系統包含大量的分布式電源軌；這些電源軌為多種數字和模擬電路供電。很多系統或子系統，特別是那些需要人工干預的系統，為了保證它們的安全性，需要將它們與主電源隔離開來。這些系統包括工業過程控制、樓宇自動化、電信基礎設施系統、以及醫療設備，以及其他一些系統。圖1至6給出了幾個應用了隔離式電源軌的系統示例。Fly-Buck轉換器方法是更簡單的方法，在這些系統和其它相似應用中生成偏置電源軌。 一個常見應用領域就是工廠自動化，其中的一個24V DC電源軌或者一個定制的以太網供電 (PoE) 組成了系統分布式電源骨干的一部分（圖1）。分布于整個系統中的控制和傳感器塊需要由偏置電源供電；而這些偏置電源要與主電源總線隔離開來。參考設計1中包含一個為可編程邏輯控制器 (PLC) I/O模塊供電的完整設計。 圖1.工業應用中的隔離式電源軌 另外一個常見的應用領域是隔離式DC/DC轉換器或電機控制中的柵極驅動偏置電源。MOSFET、IGBT，或基于碳化硅 (SiC) 的功率級需要隔離式電源軌作為驅動器，以及控制電路供電；而這些驅動器或控制電路也許與電源不在同一側，而是位于隔離邊界的另一側。高側驅動器還需要浮動偏置電源軌；這些電源軌用高達數百伏電壓與低側電源軌分離開來（圖2）。參考設計2是一個完整的，針對3相電機控制系統的Fly-Buck偏置電源設計。 圖2. IBGT/SiC/MOSFET柵極驅動偏置電源軌 圖3顯示的是具有初級和次級驅動器偏置電源的電信DC/DC轉換器。這個次級側控制器電源源自一個單個Fly-Buck轉換器。參考設計3是針對這個偏置電源的完整參考設計。 圖3.電信DC/DC轉換器偏置電源 醫療設備通常需要隔離功能，以保證病患和操作人員的人身安全。隔離式轉換器使用的另外一個領域就是為很多高性能運算放大器 (op amp) 和其它放大器類型生成雙極電源。隔離式輸出經常被用于生成其中一個±電源軌（圖4）。 圖4.用于儀表的雙極 (±) 電源軌 另外，變壓器隔離還常用于降壓-升壓應用或電壓穩定器。在這些應用中，輸入電壓在標稱電源軌電壓的上下大幅波動。使用變壓器可以簡化穩壓器設計，其原因在于變壓器被用來升壓，而開關DC/DC轉換器可被用來調節電壓。相對于使用非隔離式轉換器，使用變壓器的拓撲可更易生成低功率、降壓-升壓轉換器（圖5）。 圖5.低功率降壓-升壓轉換器/電源軌穩定器 圖6顯示的是一個具有-48V電源軌的電信系統。其中需要一個5V/500mA電源軌；此電源軌并不是以系統返回電源軌 (-48V) 為基準，而是相對于接地。一個隔離式電源能夠輕易地從-48V輸入電源軌中生成一個正（或負）電平位移電源軌。 圖6.電平位移電源軌 創建隔離式電源軌 這一部分將介紹幾個常用的隔離式電源軌生成方法，以及每個方法的優缺點。 生成隔離式電源軌的其中一個方法就是使用反激式轉換器。在10-100W的功率范圍內，反激式的確是創建隔離式電源的一種十分劃算的方法。然而，反激式拓撲設計相對復雜。為了實現穩定性，它經常需要涉及到與補償設計有關的復雜設計過程。它還需要針對電壓穩壓的隔離式反饋，而實現穩壓需要一個額外的變壓器繞組或光耦合器。功率級本身對于變壓器泄露電感十分敏感。這就需要精細的緩沖器設計，能夠將開關節點的電壓尖峰限定在一個合理的值。因此，對于電子系統中常用到的功率相對較低的電源軌，反激式解決方案通常就顯得過于復雜了。簡言之，對于低功率偏置電源設計來說（10W或更低），反激式不是一個合適的拓撲。 生成隔離式偏置電源軌的另外一個常見方法就是使用一個驅動器和變壓器電路，比如說，一個具有中央抽頭變壓器的推挽驅動器。當輸入電源經過穩壓，并且功率要求很低時 (1-2W)，這個開環路方法會比較有用。對于多變或者功率級較高的輸入電源軌來說，變壓器驅動器方法在電路復雜度和/或性能方面沒有什么吸引力。 對于具有主功率級的系統，可使用主電力轉換級的輔助繞組來生成輔助偏置電源。這個過程已經被有經驗的設計人員長期使用。這樣可以獲得具有成本有效性的解決方案，不過這一方法也會使得主功率級的設計因偏置電源的設計與主電源設計混合在一起而變得復雜。此外，這個方法只在為主電源生成偏置電源時，以及/或者在主電源周圍生成偏置電源時有用。 什么是Fly-BuckTM轉換器？ Fly-Buck轉換器是一個同步降壓轉換器，其中的電感器被耦合電感器或反激式變壓器所取代。次級輸出電壓 (VOUT2) 由一個對次級繞組進行整流的二極管生成。如圖7所示，當同步開關 (Q2) 接通時，初級輸出電容器 (COUT1) 在每個開關周期內對次級輸出電容器 (COUT2) 充電。 圖7. 一個Fly-Buck轉換器的運行 要獲得Fly-Buck轉換器的詳細說明和工作原理，請參見參考文獻4。 Fly-Buck轉換器的優點 Fly-Buck轉換器是一個初級側穩壓 (PSR)拓撲。它無需隔離式輸出感測，從而避免了對于額外變壓器繞組或光耦合器的需要。如表格1中所示，由于其中具有一個包含了集成高側和低側開關的65V/100V Fly-Buck系列，使用Fly-Buck進行的隔離式偏置電源設計往往變得更加簡單，尺寸也更加小巧。 如果應用同時需要隔離式和非隔離式電源軌，Fly-Buck拓撲就是一個具有高成本有效性的解決方案。可以在不增加額外系統開銷的情況下使用Fly-Buck轉換器（從本質上說，它是一個降壓轉換器）的初級輸出。 對于需要多個隔離式電源軌的系統，由于可以使用變壓器中的多余繞組來創建額外輸出，而又不會對整個設計過程產生任何影響，Fly-Buck是一個比較理想的選擇。而對于多個隔離式輸出來說，專用隔離式反饋環路的優勢就會大打折扣，其原因在于隔離環路只是改進了一個輸出的穩壓。參考文獻1-3內有一個具有3、4、8個電源軌的完整Fly-Buck解決方案。 Fly-Buck變壓器經常使用接近于對稱的匝數比。通常可以使用匝數比為1:1或1:1.5。通常情況下，具有匹配匝數比的變壓器更加小巧。相對來說，反激式設計的匝數比往往是十分不匹配的。 正是由于它的這些優點和簡單性，Fly-Buck轉換器的性能往往會隨著功率級的增加而下降。由于無源次級側穩壓，Fly-Buck只能被應用于功率較低的情況下。圖8中顯示的是Fly-Buck解決方案在哪些方面比其它方法更具有吸引力。 圖8.針對不同功率等級所建議的隔離式轉換器類型