隔離式誤差放大器:替代光耦合器和分流調(diào)節(jié)器的革新之路
在快速發(fā)展的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域,尤其是在隔離式AC-DC、DC-DC或DOSA兼容型電源模塊的設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員不斷面臨提高性能以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的初級(jí)端控制器設(shè)計(jì)依賴于光耦合器提供反饋回路隔離,并利用分流調(diào)節(jié)器作為誤差放大器和基準(zhǔn)電壓源。然而,這種設(shè)計(jì)在性能上存在一定的局限性,特別是在環(huán)路帶寬和溫度穩(wěn)定性方面。本文將深入探討隔離式誤差放大器如何成為這一領(lǐng)域的重要革新,替代光耦合器和分流調(diào)節(jié)器,從而提升電源設(shè)計(jì)的整體性能。
光耦合器的局限性
光耦合器作為一種電氣隔離器件,具有成本低廉、無(wú)觸點(diǎn)反彈、無(wú)電弧干擾、小巧輕便等優(yōu)勢(shì),在電源設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。然而,光耦合器在作為線性隔離器使用時(shí),存在幾個(gè)顯著的局限性:
帶寬限制:光耦合器的帶寬通常被限制在50 kHz以內(nèi),實(shí)際使用中往往更低。這一限制極大地影響了電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力和高頻信號(hào)傳輸能力。
CTR(電流傳輸比)變化:光耦合器的CTR特性不是線性的,且在整個(gè)工作壽命內(nèi)會(huì)發(fā)生顯著變化。初始CTR通常具有2比1的不確定性,長(zhǎng)期工作在高功率和高密度電源的高溫環(huán)境下,CTR值會(huì)進(jìn)一步下降,對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)。
高頻響應(yīng)差:光耦合器的高頻響應(yīng)能力較差,無(wú)法有效傳輸高頻信號(hào),限制了電源設(shè)計(jì)的靈活性。
溫度范圍有限:光耦合器在極端溫度下可能無(wú)法正常工作,進(jìn)一步限制了其應(yīng)用范圍。
隔離式誤差放大器的優(yōu)勢(shì)
為了克服光耦合器和分流調(diào)節(jié)器的局限性,設(shè)計(jì)人員開(kāi)始探索使用隔離式誤差放大器作為替代方案。隔離式誤差放大器通過(guò)集成隔離式誤差放大器和精密基準(zhǔn)電壓源功能于單個(gè)封裝內(nèi),實(shí)現(xiàn)了極低溫漂和極高帶寬的精密隔離誤差放大器。其主要優(yōu)勢(shì)包括:
高帶寬:隔離式誤差放大器能夠?qū)崿F(xiàn)250 kHz以上的環(huán)路帶寬,遠(yuǎn)高于光耦合器的限制。這使得以更高開(kāi)關(guān)速度工作的隔離式初級(jí)電源設(shè)計(jì)成為可能,從而支持更為緊湊的電源設(shè)計(jì)。
高精度:隔離式誤差放大器中的基準(zhǔn)電壓源和運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為在溫度范圍內(nèi)具有最小的失調(diào)和增益誤差漂移。例如,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。
穩(wěn)定性:隔離式誤差放大器的傳遞函數(shù)在其使用壽命內(nèi)不會(huì)改變,且在-40℃至+125℃的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。這完全解決了使用光耦合器進(jìn)行隔離時(shí)CTR值發(fā)生變化的問(wèn)題。
靈活性:借助正確的電源拓?fù)洌叩拈_(kāi)關(guān)速度允許使用更小的輸出濾波電感器和電容器,從而實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的電源設(shè)計(jì)。
隔離式誤差放大器的應(yīng)用實(shí)例
以反激式轉(zhuǎn)換器為例,反激式電路由于元件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,常用于輸出功率相對(duì)較低的應(yīng)用中。然而,其高輸出紋波電流和低交越頻率限制了其性能。當(dāng)采用隔離式誤差放大器替代光耦合器和分流調(diào)節(jié)器后,反激式電路的性能得到了顯著提升。
首先,通過(guò)寬帶運(yùn)算放大器和1.225 V基準(zhǔn)電壓源替代分流調(diào)節(jié)器和VREF功能,以基于數(shù)字隔離器技術(shù)的快速線性隔離器替代光耦合器。這種新型架構(gòu)的隔離式誤差放大器在反饋回路中實(shí)現(xiàn)了更高的精度和穩(wěn)定性。
其次,在推挽式拓?fù)渲?,隔離式誤差放大器的應(yīng)用進(jìn)一步提升了電源的性能。推挽式電路通過(guò)兩個(gè)MOSFET交替開(kāi)關(guān),為變壓器的兩個(gè)初級(jí)繞組充電,然后通過(guò)兩個(gè)帶二極管的次級(jí)繞組導(dǎo)通,對(duì)輸出濾波器電感和電容充電。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更快的開(kāi)關(guān)頻率和更快的環(huán)路響應(yīng)。在相同的隔離式DC-DC設(shè)計(jì)示例中,采用隔離式誤差放大器的推挽電路在100 mA至900 mA負(fù)載階躍條件下的響應(yīng)時(shí)間僅為100 μs,相比典型反激式拓?fù)涞?00 μs,速度提升了四倍。
結(jié)論
綜上所述,隔離式誤差放大器以其高帶寬、高精度、高穩(wěn)定性和靈活性,成為替代光耦合器和分流調(diào)節(jié)器的理想選擇。在隔離式AC-DC、DC-DC或DOSA兼容型電源模塊的設(shè)計(jì)中,隔離式誤差放大器的應(yīng)用不僅提升了電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力和工作溫度范圍,還使得更為緊湊、高效的電源設(shè)計(jì)成為可能。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,隔離式誤差放大器將在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,為設(shè)計(jì)人員提供更加靈活、高效的解決方案。