穿過隔離層移動訊號和電源對設計工程師而言是一項常見的挑戰。為了提高安全性和抗噪，或產生較大的電位元差時，可能需要在不同系統領域間進行隔離。如手機充電器透過內部隔離，可以在連接器短路時防止用戶觸電。而在工廠機器人等其他應用中，敏感控制電路單獨接地，並與產生較大直流電流、噪音和接地反彈的馬達進行隔離。
通訊和感應通常在隔離層中進行。具有控制器區域網路(CAN)或CAN靈活資料傳輸速率(FD)通訊協定的汽車應用，透過整合隔離和收發器元件的隔離式CAN收發器，可以將這些訊號和汽車的高壓側隔離。工業應用也可以使用CAN協定和RS-485協定進行遠距離序列通訊。與隔離CAN和CANFD訊號雷同，設計工程師可以使用專門為RS-485協定設計的隔離式收發器。保護繼電器使用隔離式電流和電壓感測器來感測電網中的電力輸送。牽引逆變器和馬達驅動器接收馬達控制器發出的脈衝寬度調變訊號，然後訊號經過隔離器向閘極驅動器發出開啟或關閉絕緣柵雙極電晶體的指令。
隔離偏置轉換器可透過從隔離層一側提供另一側偏置電源，實現隔離通訊和感應。電流和電壓感測器、數位隔離器和閘極驅動器通常需15W以下甚至低至幾十毫瓦的電源。圖1為上述每個應用的範例。
隔離式DC/DC偏置電源應用多
無論是具有外部電源開關的控制器、集結了多個電源開關和控制器的轉換器，或是整合控制器、電源開關和變壓器為一體的電源模組，都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。因為偏置電源解決方案的種類廣泛，涉及的應用也五花八門，為了以最低成本符合各類規格，全面瞭解應用需求至關重要。設計人員至少應該瞭解偏置電源的輸入電壓範圍、輸出電壓和輸出功率需求。
有些應用需要多個偏置電壓，因此確定每個輸出的可接受調節範圍為關鍵。隔離等級、操作環境溫度範圍、電磁干擾(EMI)和電磁相容性(EMC)等系統要求會進一步影響設計決策。表1從較廣泛的角度展示隔離式偏置轉換器的四種規格範例。
接下來介紹隔離式偏置電源拓撲的一些範例。
返馳式架構靈活調節/隔離/輸出
返馳式轉換器是一種眾所皆知的拓撲架構，數十年來被廣泛應用。這種電源轉換器因擁有靈活性和低成本等特點，可用於多種應用。透過整合場效電晶體(FET)和一次側控制等增強功能，這種拓撲結構更受矚目。
相較順向、推挽和半橋型等降壓拓撲，返馳式拓撲僅需要一個初級開關、一個整流器和一個類似變壓器的耦合電感器，如圖2為轉換器的簡化電路圖。當初級開關打開時，輸入電壓會施加在初級線圈上，在變壓器的氣隙內儲存能量。在這種情況下，僅有輸出電容器能給輸出負載供電。初級開關關閉時，儲存在變壓器中的能量通過整流器輸送到次級側，為負載和輸出電容器供電。
返馳式轉換器完全可作為偏置轉換器，原因為返馳式轉換器能在一個轉換階段內實現調節和隔離，也可靈活用於多個輸出。因此讀者可選擇輸出繞組的數量，隨後在變壓器上纏繞線圈，借此支援自身選擇的配置。輸出繞組上的電壓是工作週期和初級到次級繞組匝數比的函數；同時為滿足系統隔離需求，也可以將每個輸出端作為不同的接地基準點。此外，返馳式轉換器的其他優勢，包括相對較低的成本和寬輸入輸出工作電壓範圍。
為實現最佳性能，正確設計返馳式變壓器非常重要。變壓器應有良好的耦合力且漏電感低，以實現最高效率和最佳調節，尤其是在多輸出的情況下。然而還必須限制初級和次級側間的寄生電感，以防止產生過多的電磁干擾(EMI)。
隔離式偏置電源拓撲實現穩定控制
如德州儀器(TI)用於搭建隔離式偏置電源的專用拓撲—Fly-Buck轉換器，其工作輸入電壓可高達100V。與返馳式轉換器相同，金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)通常整合在積體電路(IC)內，可輕鬆實現初級側控制。圖3所示為Fly-Buck轉換器。該拓撲採用同步降壓轉換器和耦合電感器來產生一個或多個隔離式輸出；當高側開關打開時，初級側則作為降壓轉換器運作，次級繞組電流為零；而當高側開關關閉且低側開關打開時，初級側則利用其儲存的能量對次級側供電。
推挽式變壓驅動器彈性又降噪
推挽式變壓驅動器是適用於低噪聲、小型隔離式電源的常用解決方案，由具有嚴格電壓調節功能的輸入軌供電，以開環模式運作，固定工作週期50%。整合MOSFET到積體電路中，可實現緊湊的電磁解決方案。
圖4所示為推挽式拓撲。推挽式拓撲是順向雙端拓撲，有兩個MOSFET作為接地基準，因此毋須外部自舉電路。與單端順向拓撲轉換器類似，FET的電壓應力是輸入電壓的兩倍。兩個MOSFET每隔半個週期切換一次，工作週期為50%，驅動變壓器裡中心抽頭的繞組。
同步降壓轉換器非常普遍，因而使得Fly-Buck轉換器拓撲備受青睞。由於回饋迴路可以在初級輸出電壓處閉合，該轉換器不需要額外的輔助繞組或光絕緣器來進行控制。同時，因耦合電感器的結構靈活，匝數比、額定絕緣等級、次級繞組數和PWM工作週期都可控制，因此適用於多種應用。
與返馳式轉換器相同，耦合電感器也必須合理設計，尤其注意要在限制初級到次級的寄生電容時控制漏電感。對於需要100V以上輸入的應用，可以使用具有外部MOSFET的Fly-Buck轉換器。
推挽式變壓驅動器是一種普遍的隔離式偏置電源解決方案，原因是其具有靈活性，能支援多路輸出；其開環配置省去回饋迴路，進而簡化設計。該變壓器具有較低的初級和次級電容，相較返馳式和Fly-Buck轉換器能降低共模噪音。此外，推挽式拓撲能更有效利用變壓器鐵芯的磁化電流，以實現比返馳式和Fly-Buck轉換器更小的磁解決方案。
即使變壓驅動器具有許多優點，但也應注意權衡利弊。不同於返馳式和Fly-Buck轉換器，變壓驅動器不支援寬輸入電壓範圍，需要嚴格調節輸入電壓；且由於沒有閉合迴路，不容易滿足輸出電壓反饋調節需求，可能需要低壓差線性穩壓器(LDO)。
電源模組常搭配隔離式偏置轉換器
電壓模組具有數十年的發展歷史。這類解決方案非常普遍，與離散式電源相比可顯著提高整合度。電源模組種類繁多，可提供輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、輸出數量、隔離等級和調節等選項。
一般電源模組內部運作的原理，其拓撲包括變壓驅動器，與離散式拓撲雷同；某些元件可能整合成一個輸出LDO作為調節。
電源模組為大部分的隔離式偏置轉換器應用提供多種選項，因為毋須規定、設計或選擇變壓器，可以大幅簡化設計過程，只需加入輸入和輸出去耦電容就可以開始設計。同樣地，也提供同步、輸出電壓選擇、賦能和錯誤訊號等其他選項。
在使用專門配置輸出數量和變壓器匝數比的模組時，可能會降低靈活性。與額定環境溫度為125℃的模組相比，55℃和85℃選項的模組更受青睞；同樣地，採用完全增強式隔離的模組數量也不及採用功能型或基本隔離的模組。
未來偏置解決方案趨向整合
變壓器設計的創新和更高頻率的拓撲可使IC設計者將變壓器和矽整合到一個IC中，而終端用戶不需再設計變壓器或降低系統性能，便能獲得小型輕量級的隔離式DC/DC偏置電源。圖5所示為德州儀器偏置電源UCC12050的原理圖，儘管看起來與具有整合功率級和整流器的電源模組類似，但研究其運作後發現，其開關頻率比電源模組高很多。
相較開關頻率較低的其他電源，該電源的高度和重量都顯著降低；若使用內部拓撲控制方案，毋需LDO或外部回饋元件即可實現閉合迴路運作，因此可為各種隔離式DC/DC偏置電源應用帶來許多優勢。其設計使用EMI最佳化變壓器，初級側至次級側之間的電容僅為3.5pF，採用雜訊控制方案。毋需鐵氧體磁珠或LDO，雙層PCB解決方案本身即符合CISPR32B類標準。該裝置性能強勁，增強型隔離額定值為5kVrms，額定工作電壓為1.2kVrms，可在125℃環境溫度下運作。該裝置系列還包括UCC12040，其基本隔離額定值為3kVrms，額定工作電壓為800Vrms。
表2則對上述各種拓撲進行比較，可藉此看出，具有外部變壓器的拓撲能帶來較大的靈活性，而電源模組和UCC12050簡便易用。
現今已有許多隔離式電源可以選擇，但仍須瞭解輸出數量、調節需求、輸出功率、隔離等級、工作溫度和輸入電壓範圍等系統級規格。
(本文作者為德州儀器業務主管)
