NVE IsoLoop® IL711/IL610 MSOP隔离式开关电源演示板技术解析

一、引言

在电子设备的电源设计中，隔离式开关电源因其高效、稳定等优点而被广泛应用。NVE Corporation推出的IsoLoop® IL711/IL610 MSOP隔离式开关电源演示板，为工程师们提供了一个优秀的设计参考。本文将深入剖析该演示板的各项特性、电路设计以及关键参数，帮助电子工程师更好地理解和应用这一技术。

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二、演示板概述

2.1 基本功能

该演示板采用世界上最小的隔离器——NVE IsoLoop® MSOP隔离器，展示了一种隔离式、高效的同步降压转换器开关电源（SMPS）。它具有三个隔离通道，确保输出与输入实现电气隔离。具体来说，一个双通道MSOP - 8隔离器用于隔离同步整流，一个单通道、故障安全的MSOP - 8隔离器和简单的脉宽调制电路用于隔离输出电压反馈。

2.2 隔离器优势

MSOP隔离器能够最小化电路板面积，尽管元件紧凑，但变压器、隔离器和电路板仍能保持至少3mm的爬电距离。其他IsoLoop版本可通过类似电路提供2.5kV_RMS或5kV_RMS的隔离以及高达8mm的爬电距离。此外，IsoLoop隔离器具有高速、小尺寸、低电磁干扰（EMI）和高可靠性等特点，其44000年的隔离寿命使得平均无故障时间（MTBF）比光耦合器或其他固态隔离器高出数千倍。

三、评估板规格

3.1 输入输出参数

• 输入电压：标称值为12V（范围11V - 14V）。
• 标称输出电压：3.3 ± 0.05V。
• 最大输出电流：750mA。

3.2 其他特性

• 过流保护：具备过流保护功能，保障电路安全。
• 开关频率：约130kHz。
• 隔离耐压：1.2kV_RMS，符合UL1577标准，持续时间为一分钟。
• 工作温度：85°C。
• 爬电距离：3mm。

四、IsoLoop隔离器特性

4.1 电气性能

• 脉冲宽度失真：300ps，可实现最小死区时间。
• 脉冲抖动：100ps，确保高精度。
• 瞬态抗扰度：50kV/µs。
• 低EMI排放：无载波或内部时钟，有效降低EMI。
• 隔离寿命：44000年。

4.2 封装选项

• 超小型MSOP - 8：2.5kV_RMS隔离，600V工作电压。
• 行业标准SOIC - 8：2.5kV_RMS隔离，600V工作电压。
• 8mm爬电宽体封装：5kV_RMS隔离，1000V工作电压。

五、电路板布局与元件清单

5.1 电路板布局

演示板的布局清晰，分为顶层和底层。顶层包含输入、输出、变压器、隔离器等关键元件；底层则有控制器、调节器、输出滤波器等。各元件之间的连接合理，确保了信号的稳定传输和电路的正常工作。

5.2 元件清单

清单中详细列出了各种电容、电阻、二极管、MOSFET、隔离器、控制器等元件的参数和封装。例如，电容的容值从47pF到220µF不等，电阻的阻值范围从0.033Ω到300kΩ。这些元件的选择和搭配是为了实现演示板的各项功能和性能指标。

六、电路详细分析

6.1 电路概述

演示电路主要分为三个部分：电源控制、同步整流和电压控制。电源控制部分调节变压器初级的功率；同步整流部分使用同步开关的MOSFET从变压器次级提供直流输出；电压控制部分通过反馈与输出电压对应的脉宽调制信号来控制输出。三个隔离通道确保输出实现电气隔离。

6.2 电源控制

6.2.1 开关频率设置

PWM控制器（U1）通过改变两个推挽式功率控制MOSFET（Q2和Q3）的占空比来调节输出。控制器的振荡器频率由电容C6设置，约为260kHz，推挽和同步整流MOSFET的开关频率为控制器频率的一半，即大约130kHz。变压器（T1）在传输功率的同时保持隔离。开关频率的计算公式如下： [f{U 1.8} approx frac{1}{(14 k Omega)(C 6)} ] [f{SWITCH} approx frac{1}{(28 k Omega)(C 6)}]

6.2.2 控制器供电

控制器启动需要至少10.7V的(V{CC})电压，运行时则需要7V - 10V的电源。在该电路中，通过电阻R1的“涓流充电”启动控制器。二极管D1允许(V{CC})在启动时超过10V调节器（U6）的输出。启动后，当(V{CC})降至约9.3V以下时，U6开始为控制器供电。最小输入电压由控制器的最小启动电源、启动电流和R1决定，计算公式为： [V{IN(MIN)}=V{CCUV(MAX)}+left(I{CCST(MAX)}right)(R 1); V{CCUV(MAX)}=10.7 V ; I{CCST(MAX)}=250 mu A] 该演示板中R1取值为1.5kΩ，允许最小输入电压为11.1V。电阻值增大将提高最小输入电压，降低则会因功耗增加而降低效率。演示板的最大输入电压为16V，受U6的最大输入电压限制。

6.2.3 系统开关机电压与软启动

控制器的欠压锁定（UVLO）输入引脚在该板中未使用，但可通过电阻分压器连接到输入电压，以精确控制低输入开关机电压。当UVLO低于5V时，控制器将优雅地关闭。电容C1用于设置功率开关占空比的受控斜坡，实现上电或过载关机后的软启动。0.068µF的电容将软启动时间（(t{SS})）设置为约25ms，计算公式为： [t{SS}=(385 k Omega)(C 1)] 软启动时间应远长于由R23、R25和C24设置的电压反馈截止频率。在反馈环路中有有源电路的情况下，软启动仅在接近所需输出电压的有限范围内有效。

6.2.4 MOSFET死区时间与电流限制

电阻R5可用于设置“死区时间”，即Q2或Q3功率控制MOSFET之一关闭与另一个开启之间的最短时间，确保在高占空比时两个推挽MOSFET不同时导通。由于该演示板通常不在高占空比下运行，因此省略了该电阻，死区时间采用控制器的默认值。电阻R19设置逐周期电流限制以及“打嗝模式”短路保护。0.033Ω的阻值将逐周期MOSFET电流限制（(I{C - C})）设置为约9A，为峰值工作电流提供一定余量。控制器将短路保护（(I{SCP})）设置为逐周期限制的两倍，即18A。电流限制的计算公式如下： [I{C - C}=frac{0.3 V}{R 19} ] [I{SCP}=frac{0.6 V}{R 19}]

6.3 同步整流

控制器与功率控制MOSFET同步开启同步整流MOSFET Q1和Q4，即当MOSFET的漏极电压为正时导通。与二极管整流相比，同步整流更高效，因为它消除了二极管固有的正向电压损耗。IL711V - 1E双通道隔离器（U5）用于隔离MOSFET与控制器，其低脉冲宽度失真可最小化死区时间并最大化效率，高速特性还能实现更高的开关频率，从而允许使用更小的电感元件。通过调整电阻R3的值（10kΩ - 200kΩ），可将功率控制同步整流MOSFET的关断延迟从约20ns调整到200ns，以补偿MOSFET速度和电感相移，优化效率。该演示板使用20ns的延迟，因为其MOSFET速度快且变压器相对较小。

6.4 电压控制

6.4.1 输出电压确定

输出电源电压由三个电压参考和几个电阻决定。参考电压包括1.2V和5V的控制器参考（(V{FB})和(V{REF})），以及单独的1.25V输出侧参考（(V_{U 4})）。关键的分压器包括R6、R9和R12，用于缩放锯齿波形；R23/R25用于缩放隔离的电压反馈信号。

6.4.2 脉冲宽度调制

U7的一半形成一个弛张振荡器，其锯齿波形幅度与电源电压成正比，也是脉宽调制的时间基准。R6和R9相等，用于使波形居中。锯齿波的峰 - 峰值幅度由R12设置（该板上与R12串联的微调器可用于调整输出电压），计算公式为： [V{U 7.2(P - P)}=V{OUT }[1 - R 12 /(R 9 / 2+R 12)] ; R 6=R 9] U7的另一半将锯齿波与参考电压进行比较，生成跟随输出电压的脉宽调制信号。锯齿波幅度和参考电压决定了反馈控制范围，最小控制电压（反馈占空比为零）和最大控制范围（100%占空比）的计算公式如下： [V{OUT(MIN) }=V{U 4}(R 9+2 R 12) /(R 9+R 12) ; V{U 4}=2.5 V ; R 6=R 9] [V{OUT(MAX) }=V{U 4}(2+R 9 / R 12) ; V{U 4}=2.5 V ; R 6=R 9] 该振荡器电路具有较宽的控制范围，本演示中，最小控制范围约为2.8V，最大约为9V，远超出关注范围。电压反馈脉宽调制频率约为1MHz，计算公式为： [f{U 7.6}=frac{1}{2(R 10)(C 5)[ln (1+R 9 / R 12)]} ; R 6=R 9] 输出电压以占空比编码，因此精确频率并不关键。U7输出占空比与输出电压的关系如下： [delta{U 7.6}=0.5+frac{ln left(V{OUT } / V{U 4}-1right)}{2 ln (1+R 9 / R 12)} ; V_{U 4}=1.25 V ; R 6=R 9] 在输出目标为3.3V时，该板的元件将占空比设置为约70%。由于它是闭环系统的一部分，占空比的非线性不会降低精度，且电路比高线性度脉宽调制器更简单。

6.4.3 反馈隔离与电压设置

脉宽调制的反馈信号由IL610 - 1E单通道MSOP隔离器（U8）隔离，该隔离器比常用于此目的的模拟光耦合器更小、寿命更长。IL610本质上是故障安全的，当没有线圈电流时，保证输出为高电平。反相器U2的输出在无线圈电流时为低电平，使控制器要求供电。隔离器的（ - ）线圈端子用作输入，将隔离器配置为反相器，确保U2输出相位与比较器U7的输出相同。隔离器线圈电阻（R13）选择为在输出电路的最小工作电压2.8V下提供至少5mA的最小直流输入阈值。电容C3是“升压电容”，确保隔离器在临界条件下开启。 R23、R25和C24对隔离的PWM信号进行缩放和滤波，将其转换回控制器的隔离反馈电压。对于需要更快瞬态响应的应用，可使用更复杂的滤波器或更快的反馈元件。控制器的5V参考电源为反相器供电，因此反馈电压与5V参考电压和占空比成正比，通过R23和R25分压器缩放，计算公式为： [V{U 1,13}=delta{U 7,1}left( V{REF}right)(R 23) /(R 23+R 25) ; V{REF}=5 V] 由于U1使用电压模式PWM控制器版本，它将反馈电压与内部1.2V参考（(V{FB})）进行比较。在期望的3.3V输出下，平均反馈电压应为1.2V，因此反馈占空比约为70%。可使用R23和R25设置输出电压，计算公式为： [R 25 / R 23=delta{VOUT }left(V{REF} / V{FB}right)-1 ; V{REF}=5 V ; V{FB}=1.2 V] 输出侧的微调电阻可用于演示目的调整输出，可选的R23可用于形成分压器进行另一种调整方式。

6.5 滤波与频率补偿

6.5.1 输出滤波

输出电容用于滤除纹波。在该设计中，同步整流和PWM电压反馈是两个主要的纹波源。同步整流纹波与两倍开关频率成反比（因为使用全波整流）。忽略L1的纹波减小效应，同步整流输出纹波分量估计如下： [V{RIPPLE - SWITCH }=I{LOAD} /left[(C 11)left(2 f_{SWITCH }right)right]] 220µF的电容（C11）在130kHz的开关频率下，500mA负载时提供的纹波小于10mV。并联的低等效串联电阻（ESR）电容（C10）可最小化电感电流变化引起的纹波。

6.5.2 PWM信号滤波

R25和C24对隔离的PWM信号进行滤波，有助于确保系统闭环稳定性。该滤波器可减少PWM引起的纹波和误差放大器噪声，但时间常数也会限制瞬态响应时间。滤波器截止频率远高于输出滤波器和控制器补偿截止频率，因此闭环控制速度足以保证稳定性。对于简单的单极点滤波器，PWM信号中的纹波约为： [V{RIPPLE - U 13}=V{FB} /left(tau{U 1,13} f{U 7,1}right) ; V{FB}=1.2 V ; tau{U 1,13}=(C 24)[(R 25)(R 23) /(R 25+R 23)]] PWM纹波将反映到输出，但会被输出滤波电容减小，计算公式为： [V{RIPPLE - PWM}=left(V{RIPPLE - U 1.13}right)left(I{LOAD}right) /left[left(V{FB}right)left(f{U 7.6}right)(C 11)right] ; V{FB}=1.2 V] 对于更快的瞬态响应，可使用更复杂的滤波器或更高频率的反馈。

6.5.3 误差放大器增益与控制器补偿

控制器误差放大器在远高于放大器补偿截止频率的交流频率下的增益为： [A_{ERROR - AC}=R 7 / R 25] 更高的增益可减少稳态误差，但会牺牲增益裕度和稳定性。(R7)(C4)通过增加直流增益提高精度和稳定性。由(R23||R25)(C24)和(R7)(C3)创建的滤波器限制高频增益，以减少纹波并提高抗噪性。

6.5.4 电平转换

系统组件使用三种不同的电源：标称9.3V的控制器电源、5V的控制器参考电源和3.3V的输出电源。控制器的同步整流驱动器电压最高可达控制器电源电压，但U5隔离器由5V初级侧参考电源供电。因此，电压分压器用于使隔离器输入低于5V但高于其2.4V的最小逻辑高输入电压。同步整流MOSFET由U5的3.3V侧驱动，因此选择栅 - 源阈值电压远低于3.3V的MOSFET。隔离器还在3.3V反馈信号和5V参考电源之间提供固有的电平转换。

七、隔离器系列介绍

7.1 IL700 - 系列隔离器

获奖的IsoLoop® IL700 - 系列隔离器因其高速、小尺寸、低EMI和高可靠性，非常适合开关电源。双通道隔离器是SMPS的热门选择。所有IsoLoop隔离器都具有独特的聚合物 - 陶瓷复合隔离屏障，具有44000年的隔离寿命。该系列提供多种等级、通道配置和封装选项，如IL710V - 1E、IL711V - 1E等型号，不同型号在传输/接收通道、隔离电压、最大温度、关键特性和封装方面有所差异。

7.2 IL600 - 系列故障安全隔离器

独特的IL600 - 系列隔离器本质上是故障安全的，输入为无源，类似于LED输入光耦合器。输入可配置为反相或同相。该系列提供SOIC和独特的MSOP封装，以及用于板上芯片组装的裸片。与光耦合器不同，所有IsoLoop隔离器都具有独特的聚合物 - 陶瓷复合隔离屏障，具有44000年的隔离寿命。例如IL610 - 1E、IL611 - 1E等型号，各型号在通道、隔离、温度等参数上各有特点。

八、总结与注意事项

8.1 总结

NVE IsoLoop® IL711/IL610 MSOP隔离式开关电源演示板是一款功能强大、设计精巧的电源解决方案。它充分展示了IsoLoop隔离器在开关电源中的优势，通过合理的电路设计和元件选择，实现了高效、稳定的电源输出。其独特的隔离技术和丰富的功能特性，为电子工程师在电源设计方面提供了很好的参考和借鉴。

8.2 注意事项

• 爬电距离：在电源电路中，爬电距离通常至关重要。NVE隔离器封装除满足JEDEC标准外，还有独特的爬电规范。在设计电路板时，应参考隔离器数据手册中的推荐焊盘布局，避免标准焊盘库（特别是MSOP）延伸到封装下方，以免影响爬电和间隙。同时，要合理间隔接地和电源平面，避免影响间隙。
• 应用限制：NVE产品除非与客户明确书面约定，否则不设计、授权或保证适用于生命支持、生命关键或安全关键设备。客户在使用NVE产品时，需自行负责确定产品是否适合其应用和产品设计，并进行必要的测试，以避免应用和产品出现故障。

电子工程师在使用该演示板或相关技术时，可根据实际需求进行调整和优化，以实现最佳的电源性能。你在实际应用中是否遇到过类似电源设计的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。