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在开关电源设计中使用反馈发生器替代光耦合器

2019-02-13 09:51:45 gheorghe plasoianu 阅读:
光耦合器常用于隔离式开关电源(SMPS)中初级侧与次级侧之间以及与反馈发生器之间的电流隔离。然而,使用光耦合器有几个缺点,包括性能和耐久性问题。以下是一个使用数字隔离器替代光耦合器的方案。

光耦合器常用于隔离式开关电源(SMPS)中初级侧与次级侧之间以及与反馈发生器之间的电流隔离。然而,使用光耦合器有几个缺点,包括性能和耐久性问题。以下是一个使用数字隔离器替代光耦合器的方案。jMHednc

SMPS电源转换器依赖其输出电压的反馈来维持稳压。这一反馈信号通常会穿过光耦合器以维持初级侧和次级侧之间的电流隔离。然而,使用光耦合器的一个关键问题是它在控制回路中会引入一个额外的极点,减少了反馈路径的带宽。此外,光耦合器的电流转换比从单元到单元的变化比较大,也会随着温度和使用时间而降低。这种变化会影响控制回路的校准和长期漂移。jMHednc

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下面展示了SMPS设计中的一种光耦合器替代方案,使用Silicon Labs的Si8642数字隔离器在转换器的初级和次级之间形成屏障。它需要根据转换器的输出生成一个反馈信号,而不是直接使用该输出信号。
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图1:采用数字隔离器反馈方案的SMPS电压转换器原理图。jMHednc

反馈发生器开始于10MHz时钟信号,它通过隔离屏障被发送到次级侧,然后电路R2C2将时钟信号转换为三角波形。该波形驱动高速比较器U3的反相输入。非反相输入接收转换器输出电压的标度值。只要三角波信号小于输出电压标度值,比较器的输出就会变成高电平。因此,比较器输出信号的占空比将与转换器的输出电压成比例,如图2所示。
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图2:将三角波时钟信号(绿色)与SMPS输出电压的标度值进行比较,得到一个信号(黄色),其占空比与SMPS输出成比例。jMHednc

比较器的输出通过隔离屏障又返回到初级侧,电路R1C1对该信号进行低通滤波,并将结果应用于开关控制器的反馈引脚。jMHednc

为了评估反馈发生器的线性度,我将斜坡信号应用于比较器的非反相输入并观察输出信号(在C1处),结果如图3所示。jMHednc

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图3:利用三角波在非反相输入端测试反馈发生器的线性度。jMHednc

为了调整转换器的控制回路,我们需要知道反馈方案引入的额外极点的位置。为了确定这一点,我用Bode-100相位增益分析仪检查了发生器的AC行为,结果如图4所示。
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图4:SMPS反馈发生器的增益幅度和增益相位。jMHednc

极点出现在85kHz,主要是由于R1C1滤波器。通过为这些器件选择较小的值,可以将极点推得更高一些。jMHednc

本文为《电子技术设计》20192月刊杂志文章。jMHednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Feedback generator avoids optocoupler use in SMPS design。)jMHednc

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