在AC-DC和DC-DC电源应用中采用隔离式误差放大器替换光耦合器和分流调节器

设计人员设计隔离式 AC-DC、DC-DC 或 DOSA 兼容型电 源模块时，面临着以更佳的性能应对市场需求的挑战。 本文介绍数字隔离器误差放大器，它可改进初级端控制 架构的瞬态响应和工作温度范围。传统的初级端控制器 应用是利用光耦合器提供反馈回路隔离，利用分流调节 器提供误差放大器和基准电压。虽然光耦合器作为隔离 器用于电源中具有成本低廉的优势，但它会将最大环路 带宽限制在 50 kHz，而且实际带宽会低得多。快速可靠 的数字隔离器电路在单封装内集成隔离式误差放大器和 精密基准电压源功能，使用该电路可实现极低温漂和极 高带宽的精密隔离式误差放大器。隔离式误差放大器能 实现 250 kHz 以上的环路带宽，使得以更高开关速度工 作的隔离式初级电源设计成为可能。借助正确的电源拓 扑，更高的开关速度可支持在更为紧凑的电源中使用更 小的输出滤波器电感和电容。

我们首先将讨论一个反激式转换器拓扑，因为就元器件 数目而言，它是最简单的电路。反激式电路使用最少的 开关；本例中，仅在初级端使用了一个开关，并在次级 端使用了一个整流二极管。简单反激式电路通常用于输 出功率相对较低的应用中，但它确实具有高输出纹波电 流和低交越频率，因为存在右半平面(RHP)零点。结 果，反激式电路需要具备较大输出纹波电流额定值的大 输出电容。图 1 显示采用光耦合器的方式，分流调节器 在其中用作隔离式输出电压 Vo 的反馈电压误差放大 器。分流调节器用作精确标准时，可提供精度典型值为 2%的基准电压。输出电压经过分压，然后由内部误差 放大器将其与分流调节器的基准电压进行比较，比较结果输出至光耦合器的 LED 电路。光耦合器 LED 由输出电 压和串联电阻偏置，所需的电流量根据光耦合器电流传 输(CTR)特性确定，相关说明可参见数据手册。

图 1. 带光耦合器和分流调节器的反激式调节器框图

图 2. 光耦合器 CTR 下降

CTR 为晶体管输出电流和 LED 输入电流之比。CTR 的特 性不是线性的，因光耦合器而异。如图 2 所示，光耦合 器 CTR 值会在整个工作寿命内变化，对设计稳定性提出 挑战。今天设计并测试的光耦合器其初始 CTR 通常具有 2 比 1 的不确定性，但长期工作在高功率和高密度电源的 高温环境下，几年以后 CTR 将下降 40%。将光耦合器用 作线性器件时，它具有相对较慢的传输特性(小信号带 宽约 50 kHz)，因此对电源的环路响应也较慢。对于反激 式拓扑而言，较慢的传输特性可能并不存在任何问题， 因为该拓扑要求针对降低环路带宽而对误差放大器作出 补偿，以便输出稳定。问题在于，随着时间的推移，光 耦合器输出特性的变化可能会迫使设计人员进一步降低 环路响应，以确保环路的稳定性。环路响应较慢的缺点 在于这样做会使瞬态响应性能下降，且负载瞬态之后的 输出电压需更长的时间才能恢复。增加一个更大的输出 电容有助于减少输出电压的下降，但会增加输出响应时 间。这样做会导致电源设计更复杂且更为昂贵；而尺寸 更小、成本更低的解决方案是可以实现的。

图 3. 隔离式误差放大器代替光耦合器和分流调节器

前文说明了光耦合器作为线性隔离器使用时在工作稳定 性方面的困难；了解之后，便能检查隔离式误差放大器 随时间和极端温度变化提供稳定可靠性能的能力。如图 3 所示，现以宽带运算放大器和 1.225 V 基准电压源部分代 替分流调节器和 VREF 功能，并以基于数字隔离器技术的 快速线性隔离器代替光耦合器。器件右侧的运算放大器 具有同相引脚+IN(连接至内部 1.225 V 基准电压源)和反相 引脚−IN，可用于隔离式 DC-DC 转换器输出的反馈电压 连接(使用分压器实现连接)。COMP 引脚为运算放大器 输出，在补偿网络中可连接电阻和电容元件。COMP 引 脚从内部驱动发送器模块，将运算放大器输出电压转换 为调制脉冲输出，用于驱动数字隔离变压器。在隔离式 误差放大器左侧，变压器输出信号解码后转换为电压， 驱动放大器模块。放大器模块产生 EAOUT 引脚上的误差 放大器输出，驱动 DC-DC 电路中 PWM 控制器的输入。

图 4. 隔离式误差放大器输出精度与温度的关系

这款最新的隔离式误差放大器的优势包括：基准电压源 和运算放大器设计为温度范围内具有最小的失调和增益 误差漂移。1.225 V 基准电压源电路在温度范围内的精度 调整为 1%，比分流调节器更精确，且漂移量更低。如 图 4 所示，隔离式误差放大器的典型输出特性在−40°C 至 +125°C 范围内的变化量仅为 0.2%，实现了高度精确的 DC-DC 输出。为了保持稳定的输出特性，运算放大器的 COMP 输出经脉冲编码，可越过隔离栅发送数字脉冲，然后由数字隔离变压器模块解码回模拟信号，完全解决 了使用光耦合器进行隔离时 CTR 值发生改变的问题。

若应用要求采用反激式电路以提供超乎寻常的快速瞬态 响应，则可以利用推挽式拓扑配合隔离式误差放大器实 现。推挽式电路如图 5 所示。图中，两个 MOSFET 交替 开关，对变压器的两个初级绕组充电，然后两个带二极 管的次级绕组导通，并对输出滤波器电感和电容充电。 推挽拓扑经补偿后极为稳定，并具有快得多的开关频率 和更快的环路响应。与反激式电路相同的隔离式 DC-DC 设计示例(5 V 输入到 5 V 输出，1.0 A 输出电流)现 用于采用 ADuM3190 隔离式误差放大器的推挽式电路 中。相比较慢的 200 kHz 典型反激式设计，推挽式设计具 有 1.0 MHz 开关频率；因此，与一款光耦合器相比，带宽 更高的 ADuM3190 显然是更佳选择。输出滤波器电容从 200 μF(典型反激式)下降至仅 27 μF(推挽式)，并增加了一 个小型 47 μH 电感。图 6 中的波形显示 100 mA 至 900 mA 负 载阶跃条件下，集成隔离式误差放大器的推挽式电路响 应时间仅为 100 μs，相比典型反激式拓扑的 400 μs，速度 提升了 4 倍。推挽式电路输出电压的改变幅度仅为 200 mV， 相比反激式电路的 400 mV，其改变幅度减少了一半。使 用速度更快的推挽式拓扑和带宽更高的隔离式误差放大 器，可获得更快的瞬态响应高性能以及更小的输出滤波 器尺寸。

图 5. 集成数字隔离器误差放大器的推挽式 转换器框图

图 6. 集成数字隔离器误差放大器的推挽式转换器(100 mA 至 900 mA 负载阶跃)

使用 400 kHz 高带宽隔离式误差放大器便有可能实现这些 改进，提供更快的环路响应。次级端误差放大器具有 10 MHz 的高增益带宽积，比分流调节器速度快大约 5 倍，可在隔离式 DC-DC 转换器中实现更高的开关频率(高达 1 MHz)。与在整个寿命周期和温度范围内具有不确定电 流传输比的光耦合器解决方案不同，隔离式误差放大器 的传递函数不随寿命周期而改变，在−40°C 至+125°C 的 宽温度范围内保持稳定。有了这些性能上的改进，对于 希望改善瞬态响应和工作温度范围的隔离式 DC-DC 转 换器电源设计师而言，隔离式误差放大器将成为首选解 决方案。