在現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展進程中，電氣隔離電源發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從工業(yè)自動化系統(tǒng)到消費類電子產(chǎn)品，從醫(yī)療設(shè)備到通信基站，電氣隔離電源無處不在，確保設(shè)備的安全運行和穩(wěn)定供電。而在電氣隔離電源的架構(gòu)里，確定電氣隔離控制器 IC 在初級或次級哪一端導(dǎo)通是首要任務(wù)。若其位于次級端，就必須借助電氣隔離手段，實現(xiàn)對初級端電源開關(guān)的精準(zhǔn)控制。

在傳統(tǒng)的電氣隔離電源設(shè)計中，光耦合器(或光隔離器)作為信號傳輸?shù)年P(guān)鍵元件，被廣泛應(yīng)用。無論是初級端的控制器，還是次級端的控制器，都依賴光耦合器來跨越電氣隔離，構(gòu)建信號傳輸?shù)耐ǖ?。然而，光耦合器并非完美無缺，它存在著諸多限制。其額定溫度通常僅能達(dá)到 85°C，這在一些高溫環(huán)境的應(yīng)用場景中，成為了制約電源性能的瓶頸。隨著時間的推移，光耦合器的電流傳輸比(CTR)會發(fā)生變化，這意味著在電路的整個使用壽命期間，其傳輸行為會不穩(wěn)定，影響電源的正常工作。而且，光耦合器需要搭配其他元件進行控制，這不僅增加了電路的復(fù)雜性，還提高了成本。使用光耦合器的隔離式電源，反饋環(huán)路速度往往較慢，難以滿足對電源響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用需求。

面對這些挑戰(zhàn)，近年來行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)出了一系列創(chuàng)新解決方案。反激式控制器便是其中之一，它在需要對電源電壓進行電氣隔離，且輸出功率低于 60W 的應(yīng)用場景中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)方式不同，反激式控制器并不直接測量輸出電壓，而是通過監(jiān)測初級端變壓器繞組兩端的電壓，來獲取有關(guān)實際輸出電壓的準(zhǔn)確判據(jù)。其調(diào)節(jié)精度取決于應(yīng)用的常用條件，包括輸入和輸出電壓、負(fù)載變化以及電壓變化等因素。在許多實際應(yīng)用中，±10% 至 ±15% 的調(diào)節(jié)精度已能滿足需求。例如，凌力爾特公司的 LT8301，由于集成了電源開關(guān)，并采用 SOT23 封裝，該 IC 僅需極少的外部元件，極大地簡化了電路設(shè)計。電路的隔離擊穿電壓僅取決于所用變壓器，這為設(shè)計提供了極大的靈活性，尤其是在對隔離電壓要求極高的情況下。

對于那些對輸出電壓控制精度有更高要求的應(yīng)用，ADI 公司推出的反激式控制器 ADP1071 則是一個極具吸引力的解決方案。ADP1071 內(nèi)部集成了初級端控制器、可提高轉(zhuǎn)換效率的次級端有源整流控制器，以及完全集成式反饋路徑。通過這一創(chuàng)新設(shè)計，它能夠?qū)崿F(xiàn)非?？焖俚姆答伃h(huán)路，使輸出電壓調(diào)節(jié)極為準(zhǔn)確且迅速，即使在負(fù)載瞬變很大的情況下也能保持穩(wěn)定。該芯片的一大優(yōu)勢是可允許的工作溫度高達(dá) 125°C 硅片溫度，有效突破了光耦合器 85°C 工作溫度的限制。其最大隔離電壓取決于所選變壓器以及開關(guān)穩(wěn)壓器 IC 采用的隔離技術(shù)，芯片自身的最大隔離電壓為 5kV，已申請符合 VDEV0884 - 10 的增強絕緣分類等級。

除了上述反激式控制器相關(guān)的解決方案，氮化鎵(GaN)技術(shù)的興起也為實現(xiàn)高功率密度的緊湊型電源設(shè)計帶來了新的契機。GaN 作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的硅材料相比，具有諸多顯著優(yōu)勢。它具有低 “導(dǎo)通” 電阻、高擊穿強度、快速開關(guān)速度和高熱導(dǎo)率等特性。使用氮化鎵代替硅，可以制造出在開啟和關(guān)閉期間具有更低開關(guān)損耗的開關(guān)，并且在既定芯片尺寸下，氮化鎵功率開關(guān)具有更低的綜合傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。然而，氮化鎵開關(guān)的驅(qū)動相對復(fù)雜，其快速開關(guān)速度會帶來雜散電感和電容以及高頻振蕩等問題，這些問題會產(chǎn)生更多的電磁干擾(EMI)，需要精心設(shè)計電路來解決，這無疑增加了開發(fā)的時間和成本。為了克服這些難題，一些高度集成的離線反激式轉(zhuǎn)換開關(guān) IC 應(yīng)運而生，如 Power Integrations 的準(zhǔn)諧振 InnoSwitch3 - CP、InnoSwitch3 - EP 和 InnoSwitch3 - Pro PowiGaN 轉(zhuǎn)換開關(guān) IC。這些 IC 將初級、次級和反饋電路集成在一個單一表面貼裝器件(SMD)InSOP - 24D 封裝中，內(nèi)部采用了 Power Integrations 內(nèi)部開發(fā)的 GaN 電源開關(guān)技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的硅晶體管。這種集成化設(shè)計減少了驅(qū)動器布局的復(fù)雜性和 EMI 的產(chǎn)生，同時降低了傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，使得適配器、充電器以及開放式框架電源能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率、更輕的重量和更小的尺寸。

在實際應(yīng)用中，不同的場景對電源設(shè)計有著不同的需求。對于電池充電等應(yīng)用，InnoSwitch3 - CP 較為適用，它可以從恒定的功率曲線中受益;InnoSwitch3 - EP 則適用于一系列消費和工業(yè)應(yīng)用中的開放式 AC - DC 電源;而 InnoSwitch3 - Pro 器件由于包含一個 I2C 數(shù)字接口，可實現(xiàn)恒壓(CV)和恒流(CC)設(shè)定點、安全模式選項和異常處理的軟件控制，適用于對輸出電流和電壓調(diào)整需要精細(xì)控制的應(yīng)用，如多化學(xué)和多協(xié)議電池充電器、可調(diào) CV 和 CC LED 鎮(zhèn)流器、高效 USB PD 3.0 + 可編程電源(PPS)、QC 適配器等。這些 IC 在整個負(fù)載范圍內(nèi)效率高達(dá) 95%，支持精確 CV、CC 和恒定功率(CP)輸出，包含無損電流感應(yīng)技術(shù)，消除了對降低效率的外部電流感應(yīng)電阻的需求。同時，它們還具備二次側(cè)感應(yīng)、專用同步整流 MOSFET 驅(qū)動器、一次側(cè)和二次側(cè)控制器間的集成 FluxLink 電感耦合反饋連接、>4,000 伏交流電(VAC)的隔離、符合全球能效要求、低 EMI、符合安全和法規(guī)(UL1577 和 TUV(EN60950 和 EN62368)安全認(rèn)證)以及 100% 載荷步的瞬態(tài)響應(yīng)等特性。

為了進一步提高 AC - DC 電源的性能，減少元件數(shù)量，實現(xiàn)更高的功率密度設(shè)計，使用 InnoSwitch3 PowiGaN IC 的設(shè)計人員還可以搭配互補的 MinE - CAP 大容量電容器小型化和浪涌管理 IC。MinE - CAP 能夠?qū)⑤斎氪笕萘侩娙萜鞯捏w積最高減少 50%，并且無需限制浪涌電流的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻，降低了輸入橋式整流器和熔斷器的壓力，提高了電源的可靠性。它根據(jù)交流線路電壓條件，自動連接和斷開大容量電容器網(wǎng)絡(luò)的各個部分，讓設(shè)計者能夠使用最小的大容量電容器。

以數(shù)據(jù)中心為例，隨著數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長和服務(wù)器計算能力的不斷提升，對電源的功率密度和效率提出了極高的要求。傳統(tǒng)的電源設(shè)計由于受到光耦合器溫度限制等因素的影響，難以滿足數(shù)據(jù)中心緊湊空間內(nèi)高功率供電的需求。而采用上述突破光耦合溫度限制的新型電源設(shè)計方案，如基于 ADP1071 的反激式控制器或集成氮化鎵技術(shù)的 IC，可以在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的功率輸出，降低能源損耗，提高散熱效率，從而為數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運行提供可靠的電力保障。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，高溫、高濕度等惡劣環(huán)境較為常見，傳統(tǒng)光耦合器的溫度限制使其在這些環(huán)境下的可靠性大打折扣。新型電源設(shè)計方案憑借其更高的工作溫度范圍和穩(wěn)定的性能，能夠更好地適應(yīng)工業(yè)自動化場景，確保設(shè)備在惡劣環(huán)境下的正常運行，提高生產(chǎn)效率。

綜上所述，突破光耦合的溫度限制，采用如新型反激式控制器、氮化鎵技術(shù)集成 IC 等創(chuàng)新方案，為實現(xiàn)功率密度非常高的緊湊型電源設(shè)計開辟了新的道路。這些新技術(shù)、新方案不僅能夠滿足當(dāng)前各類電子設(shè)備對電源高性能、小尺寸、高可靠性的需求，還將推動電子設(shè)備向更輕薄、更高效、更智能的方向發(fā)展，在工業(yè)、通信、消費電子、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，引領(lǐng)電源設(shè)計技術(shù)的新一輪變革。