反馈隔离增强了电源安全性和性能

隔离电源自电子行业诞生以来就一直存在。随着电源设计的变化，以跟上更高的效率和功率密度要求，隔离反馈对于保持安全至关重要。

隔离式电源不仅可以保护用户免受潜在致命电压和电流的影响，还可以提供性能优势。隔离电源通过中断接地环路来保持仪器精度，并且它们可以轻松地从负电源总线提供正稳压，而不会影响该总线的优势。

随着技术的进步以及对更高效调节和更高功率密度的需求，隔离反馈变得越来越重要。初级侧开关电源取代了次级侧开关电源。此外，为了提高整体效率，线性后置稳压器已经让位于隔离反馈。开关控制器的更高频率操作允许磁性元件缩小到等效功率60Hz变压器尺寸的一小部分。因此，设计人员现在依靠隔离反馈来保持高功率密度下的安全性。

您可以使用三种基本技术之一来隔离电源中的反馈信号。耦合绕组反馈取决于反馈绕组和输出（次级）绕组之间的紧密耦合，并保持输入和输出之间所需的隔离。光隔离器反馈依赖于耦合LED和光电晶体管的线性特性以及它们之间的距离。变压器耦合反馈需要一个调制器和解调器，通过第二个变压器传输信号。

这些技术假定变压器提供所需的输入到输出隔离。您可以通过将每种类型的隔离反馈应用于变压器-反激式拓扑来了解这些技术，该拓扑在主开关打开时将能量存储在电源变压器中，并在开关关闭时分配能量。

耦合绕组反馈

耦合绕组反馈依赖于次级侧和初级侧绕组之间的紧密耦合，以保持输出电压的准确图像，同时能量在变压器绕组之间分配。耦合绕组反馈的主要优点是元件数量少;电源变压器提供隔离。主要缺点是需要紧密耦合与需要高隔离电压之间的冲突。另一个缺点是当电流负载较高且不平衡时，交叉调节会下降。

通过观察变压器反激式拓扑初级绕组的开关电压波形，您可以看到隔离耦合绕组反馈的示例（图 1a）。假设输入电压为正，低边开关。当开关闭合时，其电压LX变为低电平（图1b），初级电流I普里普利（图1c），斜坡上升，将能量存储在变压器中。

图1.在具有正输入电压和低边开关的简单反激式拓扑 （a） 中，闭合开关会拉动电压 LX、低电平 （b）。然后初级电流（c）上升，将能量存储在变压器中。当次级电流斜坡下降（d）时，变压器中的电力转移到输出端。

当开关断开时，由于与初级绕组相关的非耦合漏感的影响，LX飞得很高。当这种泄漏中的能量消散时，通常是由于二极管/齐纳缓冲器网络的存在，LX稳定到等于V的水平在加上次级绕组电压与初级与次级匝数比的乘积N。换句话说，LX = V在+N×V秒此时。该电平是调节V的隔离反馈电压外.

反馈电压保持在V在+N×V秒直到存储在变压器中的所有能量转移到输出端。然后 LX 稳定为 V在.这种布置的主要缺点是反馈电压的大小。偏移 V在乘以匝数比，幅度在更高的V水平下变得不切实际在.

添加反馈或偏置绕组

反馈或偏置绕组提供了获得隔离耦合绕组反馈的第二种方法。例如，考虑一个变压器隔离反激式转换器，该转换器从-48V获得5V电压（图2）。偏置绕组产生一个偏置电源，用于为开关控制器供电，提供隔离反馈电压，并对反馈信号进行电平转换，以允许使用低侧折合控制器和开关。

图2.仅使用一个变压器、一个耦合绕组反馈+5至-48V反激式转换器即可使用偏置绕组WFB来提供隔离反馈电压，并为开关控制器IC1产生偏置电源。

从偏置绕组获得反馈比从初级反激式电压获取反馈更实用，而且成本只是变压器上额外绕组的成本。与前面的示例一样，输出调节取决于输出和反馈绕组之间的紧密耦合。这种技术不适用于大功率电路，因为交叉调节限制了负载调节范围。

集成电路1通过脉冲频率调制 （PFM） 调节输出。PFM稳压器在固定间隔内打开电源开关，并根据需要改变这些“导通”脉冲的频率，以提供所需的输出功率。与PWM相比，PFM的优势在于PFM在轻负载时功耗更低。轻负载频率较低，因此与开关相关的功率损耗小于同类固定频率PWM系统。

MOSFET 功率开关，Q2，控制初级绕组的电源，W普里普利.然后，功率通过次级绕组 W 传输到输出秒和肖特基二极管 D3，用于存储在 C 中3.反馈绕组，WFB和 D2为 IC 供电1，其中 C1商店。然后 IC 调节 V外通过控制 C 两端的电压1.

该调节调节脉冲频率，以在反馈绕组两端仅产生 12V。所需的匝数比从 W秒到 WFB大约为 5 到 12，这些绕组必须紧密耦合以最小化其漏感。缓冲器网络 R4/C2耗散漏感中的能量，并通过最小化反激尖峰的幅度来保护开关。

R3在反馈电压范围内提供 25mW 预负载，以改善负载调整率和稳定性。R1/ 12， D1和 Q1构成为IC供电的启动电路1直到反馈电压达到调节电压。一旦进入稳压状态，反馈电压通过反向偏置Q的发射极来阻止启动电路1.图2中的转换器在500mA时提供5V ±4%，效率优于80%。负载调整率约为5%，-36V至-70V输入的线路调整率约为0.5%。

乍一看，光隔离器似乎是提供与输出电压隔离但成线性比例的信号的理想选择。LED发出的光的强度与通过二极管的电流成正比。光通过物理隔离照射到光电晶体管，光电晶体管的电流与接收到的光的强度成比例。

然而，对于模拟信号应用，最初用于数字信号的光隔离器受到其自身特性的限制。光隔离器的传流比是输出电流与输入电流的比值。在理想情况下，该比率是恒定的，但实际上它随输入电流、温度、时间和处理而变化。在 5 到 10 年内，这个比率可能会降低 10 倍。另一个缺点是光隔离器相对较慢。即使是更快的也需要10mA至20mA的输入电流来保持其速度。在设计实用的光隔离反馈连接时，您需要考虑所有这些因素。

变压器反激式拓扑说明了光隔离反馈（图 3）。该电路将12V转换为隔离式9V，并集成了一个电流模式PFM控制器IC1，该控制器的工作开关频率为300kHz。集成电路2的并联稳压器充当误差放大器，当 V 增加时吸收电流外将反馈电压拉到其内部基准电压以上。光隔离器电流随该灌电流增加，直到转换器停止开关，从而允许V外以返回到其名义值。

图3.在光隔离器反馈反激式设计中，变压器隔离主输出-9V，光隔离器隔离反馈信号。

放置误差放大器、IC2，在光隔离器前面的次级侧，降低了该器件对偏置电流和温度变化影响的敏感性。然而，在某些电路中，该放大器的额外增益会影响环路稳定性，并使环路补偿复杂化。

该设计使用高速光隔离器（6N136）来提供宽环路带宽和快速瞬态响应。光隔离器在16mA电流下的最大传播延迟为800nsec。此外，集成电路1的高开关频率使得变压器的输出功率相对较小。这些和其他特性使电路能够满足其设计的以太网应用。该电路从12V获得-9V，效率超过80%。对于 5V 至 15V 的电源电压，该电路可承受一个 200mA 负载并保持 0.1% 的线路调整率。对于0mA至200mA的输出电流，负载调整率优于0.5%，-55°C至+125°C的温度调节范围为0.97%至0.57%。

变压器耦合反馈

与耦合绕组反馈一样，变压器耦合反馈依靠磁场跨越隔离栅传输电压信息。然而，变压器耦合反馈采用单独的变压器、调制器和解调器，以优化反馈路径。调制器和解调器是必需的，因为变压器不能传输直流电压或电流。电压反馈需要最小的功率传输，因此您可以提高相对于功率开关频率的调制频率，从而减小变压器的尺寸。性能取决于调制器和变压器的设计;细节决定成败。

基本概念是具有隔离的线性比例直流反馈路径（图 4）。推挽式变压器驱动器，IC2，其线路调整率为零，产生与输入成比例的变压器隔离电压。此操作使能IC中开关转换器的初级侧误差放大器1控制环路，就好像电路没有隔离一样。初级变压器 T1提供前向隔离。

图4.变压器耦合反馈使用单独的变压器，以便在-48V至5V反激式转换器中提供最佳反馈。T1 提供正向隔离;T2隔离反馈信号。

隔离式变压器驱动器，IC2，与表面贴装变压器 T 配合使用2，将隔离的 5V 输出转换为参考初级侧并与 5V 成比例的电压。二极管桥，D2到 D5和 C1将此变压器的输出转换为直流电。D1/ <>1和 R2补偿二极管电桥中的温度变化。所得电压的温度系数为零，略小于隔离式5V反馈电压的一半。（集成电路2工作在 3V 至 6V 的输入范围内。

电路将此隔离反馈插入变压器-反激式开关转换器IC1，可将 -48V 转换为 5V。对于5V输出，反馈电压为2.404V。在100kHz时，通过反馈电路的延迟为250nsec，等于9°相移。该频率远大于环路带宽。反馈电路的电源电流约为6mA，包括温度补偿网络的负载。

为了适应隔离反馈电路，只需减小R的值3在非隔离转换器上使 R3/R4分压器电压与IC内部的1.5V基准电压相匹配1.请注意，R3需要在生产中调整以补偿 T 的匝数比变化2.（对于 1% 初始公差，R3需要修剪，无论反馈技术如何。

隔离式和非隔离式转换器的性能几乎相同，但隔离式反馈电路消耗的功率除外。变压器 T2提供高达 500V 的隔离有效值;额定值达 1500V有效值也可用。该转换器在 5A 时提供隔离式 5V，效率优于 80%。对于0A至5A的负载电流，负载调整率约为2%，对于-30V至-65V的输入电压，线路调整率小于1%。

审核编辑：郭婷