基于高穩定性隔離誤差放大器的反激式電源設計

在電子設備的電源設計中，反激式電源是一種常見且重要的拓撲結構。本文將詳細介紹由ADI公司設計的CN - 0342反激式電源電路，它采用高穩定性隔離誤差放大器，為電源設計帶來諸多優勢。

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一、電路概述

1. 電路組成與功能

CN - 0342電路是一個隔離的反激式電源，采用線性隔離誤差放大器將反饋信號從次級側傳輸到初級側。與基于光耦合器的解決方案不同，隔離放大器的線性傳遞函數穩定，能最大程度減少反饋信號跨越隔離屏障時的失調和增益誤差。

2. 主要器件

• ADuM3190：2.5 kV rms隔離誤差放大器，包含1.225 V電壓基準和10 MHz單位增益帶寬積的誤差放大器。
• ADP1621：恒頻、電流模式升壓DC - DC控制器，為反激式電源提供脈寬調制（PWM）控制。

3. 電路優勢

整個電路的輸入電壓范圍為5 V至24 V，適用于標準工業和汽車電源。在5 V輸入和5 V輸出配置下，輸出能力可達1 A。該解決方案可應用于需要高效、小尺寸的低電壓隔離電源場景，如10 W至20 W的電信和服務器電源。

二、電路詳細設計

1. 隔離放大器ADuM3190

輸入電源范圍為3.0 V至20 V，內部低壓差穩壓器為電壓基準、誤差放大器和模擬隔離器提供穩定電源。它還與分布式電源開放標準聯盟（DOSA）輸出電壓調節方法兼容。

2. 輸出電壓設置

通過從VOUT到ADuM3190的 - IN引腳的分壓器設置輸出電壓。利用ADuM3190內部的電壓基準， - IN引腳的調節電壓為1.225 V，輸出電壓計算公式為： [V_{OUT }=1.225 V timesleft(1+frac{R 4+R 3}{R 1+R 2}right)] 對于5 V輸出配置，(R1 = 2 kΩ)，(R2 = 47 kΩ)，(R3 = 51 kΩ)，(R4 = 100 kΩ)。

3. 變壓器選擇

變壓器的選擇至關重要，它決定了初級電感電流紋波。在本設計示例中，使用的參數如下：

• (V_{IN}=5 V)
• (V_{OUT }=5 V)
• (I_{outmax}=1 A)
• (f_{SW}=200 kHz)
• 變壓器匝數比 = 1:1

平均變壓器初級側電流(I{LAVG})的計算公式為： [I{L A V G}=frac{I{L O A D}}{1-D} × frac{N{S}}{N{P}}] 輸出電壓公式為： [V{OUT } times(1-D) × frac{N{P}}{N{S}}=V_{I N} × D] 由于輸出和輸入均為5 V，變壓器匝數比為1:1，占空比(D)為50%。

初級電感紋波電流峰 - 峰值與電感值成反比，計算公式為： [Delta I{L}=frac{V{I N} × D}{f_{S W} × L}] 假設初級紋波電流為變壓器初級側平均電流的50%，合理的電感值為12.5 μH。本設計使用的變壓器是匝數比為1:1、初級側電感為16 μH的變壓器（Halo Electronics, Inc., TGB01 - P099EP13LF）。

4. 補償網絡

在反激式拓撲電源中，輸出負載電阻、輸出電容及其等效串聯電阻（ESR）會在依賴于元件類型和值的頻率處增加一個零點和一個極點，控制到輸出傳遞函數中還有一個右半平面（RHP）零點。為了補償控制環路的穩定性，使用Type II補償網絡從 - IN引腳連接到COMP引腳。補償網絡的零點和極點計算公式如下： [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}] 在本設計中，(R9 = 15 kΩ)，(C9 = 2.2 nF)，(C10 = 1 nF)，零點頻率(f{ZERO}=4.8 kHz)，極點頻率(f{POLE}=15.4 kHz)。

5. 緩沖網絡

當功率MOSFET（Q3）關斷時，由于變壓器漏感，漏極會出現高電壓尖峰。為了保護功率MOSFET，使用由電阻、電容和二極管（R19、C21和D2）組成的緩沖網絡吸收漏感中的電流。

6. 電源供應

• 初級側電源：ADP1621的電源電壓范圍為2.9 V至5.5 V，ADuM3190的電源電壓范圍為3.0 V至20 V。使用小信號NPN晶體管（Q2）作為電壓調節器，將ADP1621的IN引腳連接到Q2的基極，使發射極節點可調節到4.8 V，為ADP1621和ADuM3190供電。
• 次級側電源：ADuM3190在次級側（(V_{DD 2})）的電源電壓范圍為3.0 V至20 V，內部穩壓器提供3.0 V工作電壓。如果VOUT設置高于20 V，則需要添加外部電壓調節器。

7. 絕緣和安全

ADuM3190采用小型16引腳QSOP封裝，隔離電壓額定值為2.5 kV rms，其安全規格包括額定介電絕緣電壓、最小外部氣隙、最小外部爬電距離等。

三、常見變化

1. 高輸入電壓情況

對于較高的輸入電壓，需要使用電流檢測電阻和電流控制環路。將R20電阻從0 Ω更改為應用所需的值，對于1 A輸出配置，選擇50 mΩ的檢測電阻。

2. 低輸入電壓情況

當輸入電壓小于5 V時，通過短接集電極和發射極之間的跳線繞過輸入調節晶體管。

3. - 48 V輸入情況

對于 - 48 V輸入的電信或服務器電源應用，將初級側控制器的電源電壓調節到 + 5 V，NPN晶體管Q2需要更高的(VCE)擊穿電壓，功率MOSFET Q3需要更高的(VDS)（100 V，(V_{DSMAX})），同時將RCD緩沖電路中的二極管D2更換為70 V反向電壓額定值的二極管。

4. 降低內部穩壓器電流

為了降低ADP1621內部穩壓器的電流，將R12增加到1.5 kΩ。

四、性能結果

1. 效率

測量了5 V、12 V和24 V三種不同輸入電壓下的效率。

2. 輸出電壓穩定性

在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內，輸出電壓總誤差小于±20 mV（±0.4%）。

3. 負載瞬態響應

負載電流從100 mA增加到900 mA時，瞬態響應時間為32 μs；從900 mA減少到100 mA時，瞬態響應時間為45 μs。

五、電路評估與測試

1. 所需設備

• 30 V電源，具有3 A電流輸出能力和電流測量功能
• 具有1 A負載電流能力的源/測量單元
• 帶寬大于300 MHz的示波器和輸入范圍大于1 A的電流探頭

2. 測試步驟

• 將5 V電源連接到初級側輸入連接器（J4），將地連接到J5。
• 將源表連接到次級側，J1為5 V輸出，J3為輸出地。
• 在J15上放置跳線，使用ADuM3190的內部1.225 V電壓基準。

六、總結

CN - 0342反激式電源電路采用高穩定性隔離誤差放大器，具有輸入電壓范圍寬、輸出能力強、性能穩定等優點。通過合理選擇變壓器、補償網絡和緩沖網絡等元件，可以滿足不同應用場景的需求。在實際設計中，工程師可以根據具體要求對電路進行調整和優化。你在電源設計中是否遇到過類似的挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。