跨越隔离边界的反馈技术

     （华强电子世界网讯） 功率转换器基本上可分为隔离式及非隔离式两大类型。这两类转换器的主要分别在于输入功率接地与输出功率接地之间。实际上，许多应用都规定接地之间必须隔离。对于采用多条供电干线的大型电子系统来说，将不同接地隔离有助精简单点接地的设计，以免出现接地环路。隔离不同接地的规定很多时由不同的安全机构制定。不同接地必须隔离，以确保不同接地之间即使出现 1,500 伏 (V) 或以上的电位差，也不会有电压崩溃的迹象出现。隔离式功率转换器的设计与一般的转换器不同，设计电源供应器的工程师必须解决这类转换器所特有的设计问题。隔离式功率转换器必须采用加设了变压器的电路布局，较为普遍采用的电路布局计有回扫、正向、推拉、电流反馈式推拉以及半桥式和全桥式等布局。将供电或反馈资料由一个接地传送到另一接地的整个过程通常称为“跨越隔离边界”。
    
     所有隔离式开关功率转换器都设有输入滤波器、输出滤波器、变压器、初级侧开关、次级侧整流电路以及控制器等，而控制器是整个转换器的心脏，能以初级线圈接地或次级线圈接地作为参考电压。（图 1 ）显示以初级线圈接地作为参考电压的配置，而（图 2 ）则显示以次级线圈接地作为参考电压的配置。这两个配置的控制器在开始通电时可以从启动电路那里获得偏压供电，一旦系统正常操作，供电便由更有效率的辅助线圈提供。以次级线圈接地作为参考电压的控制器也有其内在的问题，例如，在开始通电时，偏压供电必须由初级线圈 (错误接地) 提供。这个问题不难解决。我们可以采用另一独立的隔离式偏压功率转换器为控制器提供所需的微量供电。只要系统提供另一独立的偏压供电，便可确保无论在任何情况下各子系统都可顺序启动。此外，我们也可采用另一设计，为次级线圈控制器提供偏压供电。这个设计的特色是容许初级线圈的主要开关在通电后可以在受控情况下立即启动。开关一旦启动，辅助线圈便会为控制器提供所需的偏压供电，由这个时候开始，控制器便负责控制这个主要开关的运作。这种强行启动主开关管的设计会产生过冲、短路及过载等问题。
    
     系统设计工程师构思转换器的配置时，为什么总希望其中的控制器以次级线圈接地作为参考电压？注意（图 1） 中的反馈信号必须先行隔离，然后才经由次级线圈接地传送到初级线圈接地。若采用这个设计，反馈信号的相位会稍为延迟一点，令控制环路的带宽受到一定的限制，最终甚至会影响转换器的瞬态响应。目前许多转换器都利用场效应晶体管 (FET) 而非图中所示的二极管为次级线圈提供整流。这些同步整流器场效应晶体管都需要小心加以控制的门极驱动电流，而所需的驱动电流可由次级线圈的控制器直接提供，这样可以确保在最适当的时间提供控制。采用次级线圈控制器的电路设计较为复杂，但性能则比采用初级线圈接地作为参考电压的控制器更高。
    
     我们只要采用以初级线圈接地作为参考电压的控制器，便可进一步精简转换器的设计，以及降低其成本。若采用这个配置，光耦合器便可将输出端的反馈信号由隔离边界的一边传送回另一边。大部分传送回另一边的反馈信号都并非与输出电压成正比。确切一点来说，反馈信号与输出电压及参考电压之间的差成正比。若输出电压直接由边界一边传送往另一边，隔离电路可能会令信号出现讹误，直接影响稳压效果。光耦合器具有极大的电流传送比率容限，令温度与老化都有较大的差异。若要产生误差信号，可先将输出电压与固定参考电压加以比较，然后乘以一个较大的增益倍数。这个误差信号传送至边界的另一边之后，便可直接送往控制器。（图 3a 及 3b ）所示的两个结构框图便采用这两种不同的反馈设计。按照这个设计，每一区块获分配一个典型的增益：例如隔离信号级的增益便以 AISO 来表示，误差放大器的增益以 AAMP 来表示，而脉冲宽度调制器 (PWM) 的增益及电源供应级的余数则以 APWR 来表示。这两个设计的唯一分别是误差信号放大器及隔离器的位置互相对换。
    
    　　（图 3a） 显示的功率转换器带误差信号放大器设于次级的一侧。假设理想的无误差基准电压，那么输出电压的静态误差信号可以利用以下公式计算出来：1/(AAMP x AISO x APWR)。以上例来说，误差率为 0.001%。若隔离器级 (AISO) 的增益减少一半，整体的误差率便会上升至 0.002%。（图 3b） 显示的功率转换器将误差信号放大器及基准电压接地设于初级线圈一侧，并将已隔离的导生输出电压传送往隔离边界的另一边。这时的隔离放大器属于反馈电路网的一部分，而并非只是正向增益的一部分。以这个配置为例来说，若用理想的元件，初时的误差率也只有 0.001%。但隔离信号级的增益若减少一半，这时的系统误差率会增加 100%，令输出电压提高一倍。
    
    　　如何导出反馈信号
    
    　　目前有几个配置可以确保次级线圈能够提供反馈信号，以及将信号传送到隔离边界的另一边。最简单的方法是利用齐纳二极管及光耦合器将导生的输出电压传送往边界的另一边 (参看图 4)。输出电压越高，流入光耦合器二极管的电流便越大，有助减弱初级线圈控制器的错误信号放大器的输出信号。这个配置虽然设计简单以及成本较低，但其缺点是精确度非常低，因为齐纳二极管及光耦合二极管的误差率较大。
    
     （图 5） 显示的电路由于使用来自光耦合器的误差信号，因此其精确度远比图 4 的电路为高。这个配置以 LMV431 并联稳压器取代齐纳二极管。当反馈管脚的电压达到 1.24 V时，稳压器便会通过阴极提供并联馈电。R4及 R5分压器分别将输出电压调节至适当的水平，确保输出电压保持在 1.24 V的水平 [VOUT = 1.24，亦即 (R4+R5) / R5]。这个配置远比采用齐纳二极管的配置精确，因为 LMV431 的初始误差率低至只有 0.5%。环路补偿电路可以连接在稳压器的阴极及反馈管脚之间。若采用这个配置，效果会非常理想，因此性能要求较高的中端电子产品很多都采用这个配置。
    
     此外，由于 LMV431 稳压器输出的是电流，因此阴极管脚会出现少量的反馈电压。我们只要利用 LM4050 及双组装运算放大器为系统提供另一已弥补温度偏差的基准电压，便能充分发挥环路补偿的效果 (参看图 6)。这个采用误差信号放大器的配置可以确保增益与准确度都能保持在较高的水平，也可为环路提供补偿。
    
     经验丰富的系统设计工程师一定会留意到次级线圈设有两个反馈环路。按照这个设计，LMV431 稳压器负责执行积分电路的功能，而这个稳压器的阴极实际上可视为接地。发光二极管的阳极会出现高频电能的转变，令流经发光二极管的电流也同样出现高频电能转变。这条高频通道是穿过电阻分压器的低频通道之外的另一通道，因此我们提供相位补偿以及输入信号 (以便测量整体的环路增益相位) 时，便应将这条高频通道计算在内。无论是哪一种配置，系统设计工程师都应仔细考虑整个启动程序，亦即电源开始供电时的情况。开始通电时，系统应该没有输出电压，也没有电压为次级线圈的任何电路提供偏压。反馈电压的大小应该适中，确保在这些情况下，误差信号的极性会要求系统为其全面提供供电。（图 6） 的双组装运算放大器确保可以满足这个要求。软启动是另一可以考虑的启动方式。只要加大参考电路傍边的电容器，便可减慢输出电压的上升速率。
    
    　　每一个设计方案都有自己的一套方法将信号传送至 (隔离) 边界的另一边。其中要考虑的因素当然很多，例如性能、设计复杂性及成本。在设计周期的每一个阶段之中，我们都要按照系统的实际要求，评估隔离电路的性能。最后，我们必须尽量在各种不同的操作情况下 (包括短路及过载等错误情况) 进行测试及量度。