使用集成反激转换器构建隔离式电源

电流隔离是设计用于高压或靠近人类的应用中电源的关键要求。反激式转换器提供有效的隔离式电源解决方案，但可能存在重大的设计挑战，以确保在宽负载范围内稳定输出。

为了帮助克服这些挑战，我们将描述问题，然后使用特定的模型转换器例如，为了实现成功的设计，需要考虑一些因素。

与基于反激式拓扑结构生产高效电源相关的挑战需要电力设计专家的知识。今天，对更快，更简单的设计交付的需求加剧了使用传统方法的难度。对于设计人员而言，较新的集成器件（如ROHM BD7F系列）可为更复杂的设计提供有效的解决方案，缩短产品上市时间。

在转换器拓扑结构中，反激式转换器提供隔离，甚至需要相对较少的部件在离散设计中。从根本上说，反激式转换器是一种利用变压器的降压 - 升压转换器。虽然反激式转换器的开关拓扑可实现输出调节，但其变压器提供电流隔离，并允许您通过选择合适的绕组比来选择输入/输出电压比。

反激反馈

In操作时，反激变换器变压器初级侧的电流会使能量存储在变压器中。当转换器的电源开关关闭时，存储的能量将传输到输出。为了调节其输出，反激式转换器使用反馈电路，将输出电压电平与所需电压值进行比较，并相应地调整输出。为了隔离反馈回路本身，传统的隔离式反激式电源使用光耦合器（图1上）或变压器的辅助绕组（图1底部）。

图1：传统的反激式转换器使用光耦合器（顶部）或辅助绕组（底部）隔离的反馈回路调节其输出。 （图片来源：德州仪器）

高度集成的反激式控制器的出现为需要创建更小的隔离电源的任何人提供了显着的优势。虽然与许多替代解决方案相比，这些控制器减少了部件数量，但它们确实需要外部FET作为电源开关。控制器驱动外部FET来控制电源的输出电压。

相比之下，德州仪器LM5001（图1）等转换器集成了FET开关，可进一步减少部件数量和更小总溶液尺寸。这种更高的集成度是有代价的，因为内部FET开关限制了转换器可以处理的最大电压和峰值电流。例如，LM5001转换器的电压和电流限制分别为75 V和1 A.

然而，对于许多移动和物联网设计，最近的转换器，如ROHM Semiconductor BD7F200（10 W） 24 VIN输出和BD7F100（24 VIN输出5 W）提供了更加引人注目的优势，它们能够进一步简化设计并更加显着地减少部件数量。

这种减少是可能的，因为这些设备能够检测来自初级侧的次级侧电压和电流，无需单独的光耦合器或带有三级绕组的变压器。因此，您可以仅使用简单的变压器和一些额外的无源元件来创建高效的隔离电源（图2）。

图2：ROHM BD7F隔离转换器使用初级侧检测来调节电压输出。 （图片来源：ROHM Semiconductor）

基于这些部件的隔离式反激式转换器设计可提供更大的尺寸减小，可靠性和节能效果。为了加速开发，ROHM提供了一个完全配置的评估板，帮助客户将这些集成解决方案应用到他们自己的设计中（图3）。

图3： ROHM Semiconductor BD7F100HFN-EVK-001评估套件。 （图像来源：ROHM Semiconductor）

单片转换器

传统的反激式转换器设计通常使用误差放大器来校正其输出电压。相比之下，BD7F系列采用了一种基于比较器的称为自适应ON-Time控制的方法。在工作期间，电路通过将其内部参考电压与其SW端子处监控的反馈电压进行比较来确定ON和OFF时间（图4）。

图4：ROHM BD7F系列自适应ON-Time控制器依靠比较器检测初级侧反馈电压，根据需要调整开关占空比，以保持稳定的输出电压。 （图像来源：ROHM Semiconductor）

自适应导通时间控制方法在输出稳定性方面具有显着优势。事实上，这些器件能够在1 A的负载电流和100μs的上升时间内将输出电压波动限制在200 mV。因此，这些器件可以快速响应负载瞬变，从而降低输出波动（图5）。

图5：自适应ON-Time控制方法用于ROHM BD7F隔离转换器有助于确保在负载瞬变（上部波形）期间输出电压波动（较低波形）限制在约200 mV。 （图片来源：ROHM Semiconductor）

使用这种控制方法，转换器最终根据以下内容提供VOUT：

等式1：

其中

RFB是FB-SW端子之间的外部电阻

RREF是REF-AGND端子之间的外部电阻

NP是变压器初级侧的匝数

NS是变压器次级侧的匝数

VREF是REF端子电压

VF是输出二极管的正向电压VF

IS是次级变压器电流

ESR是次级侧的总阻抗

值得注意的是该公式中说明的结果是，您可以通过选择合适的变压器初级和次级匝数比，并通过调整电阻RFB和RREF的比率来部分设置输出电压。

方程式进一步图示说明输出电压电平也受到确定的输出电压误差的影响由VF和ESR。通过选择具有小VF的肖特基势垒二极管可以减少该误差。然而，ESR更难控制，因为它是次级侧的总阻抗，包括变压器线绕电阻和印刷电路板阻抗。

即使采用最佳二极管选择和仔细的ESR管理，在您的应用中可能会出现输出电压误差，从而导致负载调节不良。为了降低这些固有误差源的影响，BD7F器件具有内部负载补偿功能，可显着改善器件输出电流范围内的输出调节。

负载补偿系数通过电阻设置电容器连接到器件的COMP引脚。电容CCOMP有助于稳定VCOMP（见图4）。 ROHM建议使用0.01μF至0.1μF的CCOMP值。在选择RCOMP时，可以使用以下等式估算所需的电阻值：

方程式2：

其中：

RVFis二极管正向电阻，近似于由于Is

ESR是次级侧的总阻抗

K是压缩放大倍数（在这种情况下定义为1/50k）

RFB是外部电阻FB-SW端子之间

NP是变压器初级侧的匝数

NS是变压器次级侧的匝数

虽然该等式为RCOMP提供了理论值，各种电阻（RVF，RFB和ESR）取决于设计，元件和印刷电路板的细节。因此，您需要通过测量应用的负载电流范围内的VOUT并相应地调整RCOMP来确定RCOMP的实际值。

实际考虑因素

除了它的许多优点外，反激式还原拓扑结构确实存在缺点。在电源开关的漏极和次级整流器处经常会出现大的瞬态电压尖峰。这些电压尖峰来自变压器固有的漏电感，该漏电感与存储在不完美耦合绕组中的少量能量有关。

在BD7F器件中，当发生尖峰或发生尖峰时，SW引脚会发生振铃。集成MOSFET关闭。此外，当MOSFET导通时，输出二极管中可能出现反向尖峰电压。因此，您通常需要添加一个简单的缓冲电路来控制漏感的影响并提高电源的可靠性。

结论

反激式转换器拓扑提供隔离和需要相对较少的额外组件来产生相当有效的电源。然而，用于调节这些转换器的传统方法需要使用光耦合器或带有三级绕组的复杂变压器。

相比之下，较新的集成转换器（如ROHM BD7F系列）可实现输出电压调节，而无需额外的这些组件。使用这些器件，可以使用更少的附加元件创建高效的隔离电源，在更小的占地面积内提供更高的可靠性。