基于高稳定性隔离误差放大器的反激式电源设计

在电子设备的电源设计中，反激式电源是一种常见且重要的拓扑结构。本文将详细介绍由ADI公司设计的CN - 0342反激式电源电路，它采用高稳定性隔离误差放大器，为电源设计带来诸多优势。

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一、电路概述

1. 电路组成与功能

CN - 0342电路是一个隔离的反激式电源，采用线性隔离误差放大器将反馈信号从次级侧传输到初级侧。与基于光耦合器的解决方案不同，隔离放大器的线性传递函数稳定，能最大程度减少反馈信号跨越隔离屏障时的失调和增益误差。

2. 主要器件

• ADuM3190：2.5 kV rms隔离误差放大器，包含1.225 V电压基准和10 MHz单位增益带宽积的误差放大器。
• ADP1621：恒频、电流模式升压DC - DC控制器，为反激式电源提供脉宽调制（PWM）控制。

3. 电路优势

整个电路的输入电压范围为5 V至24 V，适用于标准工业和汽车电源。在5 V输入和5 V输出配置下，输出能力可达1 A。该解决方案可应用于需要高效、小尺寸的低电压隔离电源场景，如10 W至20 W的电信和服务器电源。

二、电路详细设计

1. 隔离放大器ADuM3190

输入电源范围为3.0 V至20 V，内部低压差稳压器为电压基准、误差放大器和模拟隔离器提供稳定电源。它还与分布式电源开放标准联盟（DOSA）输出电压调节方法兼容。

2. 输出电压设置

通过从VOUT到ADuM3190的 - IN引脚的分压器设置输出电压。利用ADuM3190内部的电压基准， - IN引脚的调节电压为1.225 V，输出电压计算公式为： [V_{OUT }=1.225 V timesleft(1+frac{R 4+R 3}{R 1+R 2}right)] 对于5 V输出配置，(R1 = 2 kΩ)，(R2 = 47 kΩ)，(R3 = 51 kΩ)，(R4 = 100 kΩ)。

3. 变压器选择

变压器的选择至关重要，它决定了初级电感电流纹波。在本设计示例中，使用的参数如下：

• (V_{IN}=5 V)
• (V_{OUT }=5 V)
• (I_{outmax}=1 A)
• (f_{SW}=200 kHz)
• 变压器匝数比 = 1:1

平均变压器初级侧电流(I{LAVG})的计算公式为： [I{L A V G}=frac{I{L O A D}}{1-D} × frac{N{S}}{N{P}}] 输出电压公式为： [V{OUT } times(1-D) × frac{N{P}}{N{S}}=V_{I N} × D] 由于输出和输入均为5 V，变压器匝数比为1:1，占空比(D)为50%。

初级电感纹波电流峰 - 峰值与电感值成反比，计算公式为： [Delta I{L}=frac{V{I N} × D}{f_{S W} × L}] 假设初级纹波电流为变压器初级侧平均电流的50%，合理的电感值为12.5 μH。本设计使用的变压器是匝数比为1:1、初级侧电感为16 μH的变压器（Halo Electronics, Inc., TGB01 - P099EP13LF）。

4. 补偿网络

在反激式拓扑电源中，输出负载电阻、输出电容及其等效串联电阻（ESR）会在依赖于元件类型和值的频率处增加一个零点和一个极点，控制到输出传递函数中还有一个右半平面（RHP）零点。为了补偿控制环路的稳定性，使用Type II补偿网络从 - IN引脚连接到COMP引脚。补偿网络的零点和极点计算公式如下： [f{ZERO }=frac{1}{2 pi × R 9 × C 9}] [f{POLE }=frac{C 10+C 9}{2 pi × R 9 × C 10 × C 9}] 在本设计中，(R9 = 15 kΩ)，(C9 = 2.2 nF)，(C10 = 1 nF)，零点频率(f{ZERO}=4.8 kHz)，极点频率(f{POLE}=15.4 kHz)。

5. 缓冲网络

当功率MOSFET（Q3）关断时，由于变压器漏感，漏极会出现高电压尖峰。为了保护功率MOSFET，使用由电阻、电容和二极管（R19、C21和D2）组成的缓冲网络吸收漏感中的电流。

6. 电源供应

• 初级侧电源：ADP1621的电源电压范围为2.9 V至5.5 V，ADuM3190的电源电压范围为3.0 V至20 V。使用小信号NPN晶体管（Q2）作为电压调节器，将ADP1621的IN引脚连接到Q2的基极，使发射极节点可调节到4.8 V，为ADP1621和ADuM3190供电。
• 次级侧电源：ADuM3190在次级侧（(V_{DD 2})）的电源电压范围为3.0 V至20 V，内部稳压器提供3.0 V工作电压。如果VOUT设置高于20 V，则需要添加外部电压调节器。

7. 绝缘和安全

ADuM3190采用小型16引脚QSOP封装，隔离电压额定值为2.5 kV rms，其安全规格包括额定介电绝缘电压、最小外部气隙、最小外部爬电距离等。

三、常见变化

1. 高输入电压情况

对于较高的输入电压，需要使用电流检测电阻和电流控制环路。将R20电阻从0 Ω更改为应用所需的值，对于1 A输出配置，选择50 mΩ的检测电阻。

2. 低输入电压情况

当输入电压小于5 V时，通过短接集电极和发射极之间的跳线绕过输入调节晶体管。

3. - 48 V输入情况

对于 - 48 V输入的电信或服务器电源应用，将初级侧控制器的电源电压调节到 + 5 V，NPN晶体管Q2需要更高的(VCE)击穿电压，功率MOSFET Q3需要更高的(VDS)（100 V，(V_{DSMAX})），同时将RCD缓冲电路中的二极管D2更换为70 V反向电压额定值的二极管。

4. 降低内部稳压器电流

为了降低ADP1621内部稳压器的电流，将R12增加到1.5 kΩ。

四、性能结果

1. 效率

测量了5 V、12 V和24 V三种不同输入电压下的效率。

2. 输出电压稳定性

在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内，输出电压总误差小于±20 mV（±0.4%）。

3. 负载瞬态响应

负载电流从100 mA增加到900 mA时，瞬态响应时间为32 μs；从900 mA减少到100 mA时，瞬态响应时间为45 μs。

五、电路评估与测试

1. 所需设备

• 30 V电源，具有3 A电流输出能力和电流测量功能
• 具有1 A负载电流能力的源/测量单元
• 带宽大于300 MHz的示波器和输入范围大于1 A的电流探头

2. 测试步骤

• 将5 V电源连接到初级侧输入连接器（J4），将地连接到J5。
• 将源表连接到次级侧，J1为5 V输出，J3为输出地。
• 在J15上放置跳线，使用ADuM3190的内部1.225 V电压基准。

六、总结

CN - 0342反激式电源电路采用高稳定性隔离误差放大器，具有输入电压范围宽、输出能力强、性能稳定等优点。通过合理选择变压器、补偿网络和缓冲网络等元件，可以满足不同应用场景的需求。在实际设计中，工程师可以根据具体要求对电路进行调整和优化。你在电源设计中是否遇到过类似的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。