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在AC-DC和DC-DC电源应用中采用隔离式误差放大器替换光耦合器和分流调节器

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设计人员设计隔离式AC-DC、DC-DC或DOSA兼容型电 源模块时,面临着以更佳的性能应对市场需求的挑战。 本文介绍数字隔离器误差放大器,它可改进初级端控制 架构的瞬态响应和工作温度范围。传统的初级端控制器 应用是利用光耦合器提供反馈回路隔离,利用分流调节 器提供误差放大器和基准电压。虽然光耦合器作为隔离 器用于电源中具有成本低廉的优势,但它会将最大环路 带宽限制在50 kHz,而且实际带宽会低得多。快速可靠 的数字隔离器电路在单封装内集成隔离式误差放大器和 精密基准电压源功能,使用该电路可实现极低温漂和极 高带宽的精密隔离式误差放大器。隔离式误差放大器能 实现250 kHz以上的环路带宽,使得以更高开关速度工 作的隔离式初级电源设计成为可能。借助正确的电源拓 扑,更高的开关速度可支持在更为紧凑的电源中使用更 小的输出滤波器电感和电容。

我们首先将讨论一个反激式转换器拓扑,因为就元器件 数目而言,它是最简单的电路。反激式电路使用最少的 开关;本例中,仅在初级端使用了一个开关,并在次级 端使用了一个整流二极管。简单反激式电路通常用于输 出功率相对较低的应用中,但它确实具有高输出纹波电 流和低交越频率,因为存在右半平面(RHP)零点。结 果,反激式电路需要具备较大输出纹波电流额定值的大 输出电容。图1显示采用光耦合器的方式,分流调节器 在其中用作隔离式输出电压Vo的反馈电压误差放大 器。分流调节器用作精确标准时,可提供精度典型值为 2%的基准电压。输出电压经过分压,然后由内部误差 放大器将其与分流调节器的基准电压进行比较,比较结果输出至光耦合器的LED电路。光耦合器LED由输出电 压和串联电阻偏置,所需的电流量根据光耦合器电流传 输(CTR)特性确定,相关说明可参见数据手册。 

 

Figure 1

图1. 带光耦合器和分流调节器的反激式调节器框图 

 

Figure 2

图2. 光耦合器CTR下降

CTR为晶体管输出电流和LED输入电流之比。CTR的特 性不是线性的,因光耦合器而异。如图2所示,光耦合 器CTR值会在整个工作寿命内变化,对设计稳定性提出 挑战。今天设计并测试的光耦合器其初始CTR通常具有 2比1的不确定性,但长期工作在高功率和高密度电源的 高温环境下,几年以后CTR将下降40%。将光耦合器用 作线性器件时,它具有相对较慢的传输特性(小信号带 宽约50 kHz),因此对电源的环路响应也较慢。对于反激 式拓扑而言,较慢的传输特性可能并不存在任何问题, 因为该拓扑要求针对降低环路带宽而对误差放大器作出 补偿,以便输出稳定。问题在于,随着时间的推移,光 耦合器输出特性的变化可能会迫使设计人员进一步降低 环路响应,以确保环路的稳定性。环路响应较慢的缺点 在于这样做会使瞬态响应性能下降,且负载瞬态之后的 输出电压需更长的时间才能恢复。增加一个更大的输出 电容有助于减少输出电压的下降,但会增加输出响应时 间。这样做会导致电源设计更复杂且更为昂贵;而尺寸 更小、成本更低的解决方案是可以实现的。 

Figure 3

图3. 隔离式误差放大器代替光耦合器和分流调节器

前文说明了光耦合器作为线性隔离器使用时在工作稳定 性方面的困难;了解之后,便能检查隔离式误差放大器 随时间和极端温度变化提供稳定可靠性能的能力。如图 3所示,现以宽带运算放大器和1.225 V基准电压源部分代 替分流调节器和VREF功能,并以基于数字隔离器技术的 快速线性隔离器代替光耦合器。器件右侧的运算放大器 具有同相引脚+IN(连接至内部1.225 V基准电压源)和反相 引脚−IN,可用于隔离式DC-DC转换器输出的反馈电压 连接(使用分压器实现连接)。COMP引脚为运算放大器 输出,在补偿网络中可连接电阻和电容元件。COMP引 脚从内部驱动发送器模块,将运算放大器输出电压转换 为调制脉冲输出,用于驱动数字隔离变压器。在隔离式 误差放大器左侧,变压器输出信号解码后转换为电压, 驱动放大器模块。放大器模块产生EAOUT引脚上的误差 放大器输出,驱动DC-DC电路中PWM控制器的输入。

 

Figure 4

图4. 隔离式误差放大器输出精度与温度的关系

这款最新的隔离式误差放大器的优势包括:基准电压源 和运算放大器设计为温度范围内具有最小的失调和增益 误差漂移。1.225 V基准电压源电路在温度范围内的精度 调整为1%,比分流调节器更精确,且漂移量更低。如 图4所示,隔离式误差放大器的典型输出特性在−40°C至 +125°C范围内的变化量仅为0.2%,实现了高度精确的 DC-DC输出。为了保持稳定的输出特性,运算放大器的 COMP输出经脉冲编码,可越过隔离栅发送数字脉冲,然后由数字隔离变压器模块解码回模拟信号,完全解决 了使用光耦合器进行隔离时CTR值发生改变的问题。

若应用要求采用反激式电路以提供超乎寻常的快速瞬态 响应,则可以利用推挽式拓扑配合隔离式误差放大器实 现。推挽式电路如图5所示。图中,两个MOSFET交替 开关,对变压器的两个初级绕组充电,然后两个带二极 管的次级绕组导通,并对输出滤波器电感和电容充电。 推挽拓扑经补偿后极为稳定,并具有快得多的开关频率 和更快的环路响应。与反激式电路相同的隔离式 DC-DC设计示例(5 V输入到5 V输出,1.0 A输出电流)现 用于采用ADuM3190隔离式误差放大器的推挽式电路 中。相比较慢的200 kHz典型反激式设计,推挽式设计具 有1.0 MHz开关频率;因此,与一款光耦合器相比,带宽 更高的ADuM3190显然是更佳选择。输出滤波器电容从 200 μF(典型反激式)下降至仅27 μF(推挽式),并增加了一 个小型47 μH电感。图6中的波形显示100 mA至900 mA负 载阶跃条件下,集成隔离式误差放大器的推挽式电路响 应时间仅为100 μs,相比典型反激式拓扑的400 μs,速度 提升了4倍。推挽式电路输出电压的改变幅度仅为200 mV, 相比反激式电路的400 mV,其改变幅度减少了一半。使 用速度更快的推挽式拓扑和带宽更高的隔离式误差放大 器,可获得更快的瞬态响应高性能以及更小的输出滤波 器尺寸。 

Figure 5

图5. 集成数字隔离器误差放大器的推挽式 转换器框图 

Figure 6

图6. 集成数字隔离器误差放大器的推挽式转换器(100 mA至 900 mA负载阶跃)

使用400 kHz高带宽隔离式误差放大器便有可能实现这些 改进,提供更快的环路响应。次级端误差放大器具有 10 MHz的高增益带宽积,比分流调节器速度快大约5倍,可在隔离式DC-DC转换器中实现更高的开关频率(高达 1 MHz)。与在整个寿命周期和温度范围内具有不确定电 流传输比的光耦合器解决方案不同,隔离式误差放大器 的传递函数不随寿命周期而改变,在−40°C至+125°C的 宽温度范围内保持稳定。有了这些性能上的改进,对于 希望改善瞬态响应和工作温度范围的隔离式DC-DC转 换器电源设计师而言,隔离式误差放大器将成为首选解 决方案。

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