PLC I / O模块的隔离电源

大家好！ 欢迎观看此培训视频，了解 PLC I/O 模块的 隔离式电源。 本培训分为三个部分， 第一部分是简介，说明在何处以及为何使用 隔离式电源，第二部分是要构建隔离式电源 有哪些不同的选择？ 本培训的主要阐述 Fly-Buck 拓扑。 本培训将讨论该拓扑的工作 原理并讨论如何正确选择 占空比。 最后，将讨论漏电感的一些影响。 我们常常使用隔离式电源 将 PLC 模块的输入级与主系统隔离。 这可防止多种问题，例如防止产生可能 破坏模块或主系统的接地回路或冷凝电流。 通常对于这些模块，只需有限的电源。 隔离侧所需的典型电源阵列 对于多路复用器或运算放大器 为正负 15 伏，而对于 ADC、基准 或数字隔离器为正 5 伏或 3.3 伏。 可以通过不同方式实现电源额定值。 这则示例展示了以下解决方案。 为了生成在次级侧有两个绕组的 正 15 伏电源变压器，它将一个绕组 用于正 15 伏，一个绕组用于负 15 伏。 随后，使用直流/直流转换器从正 15 伏中 生成正 5 伏轨。 除了调节和稳定 正负 15 伏轨，使用了两个 LDO。 可以通过若干种不同的 拓扑实现隔离式电源。 典型的选择是推挽拓扑， 这是一种易用的拓扑，并且成本很低。 然而，它不能提供任何调节。 对于匝数比很高的变压器， 这尤其关键。 另一个选择是反激式拓扑。 它通常用于较高的功率级别。 然而，它只有一个初级开关， 电压范围较宽且具有良好的调节， 因此它在总体上是极好的拓扑。 但是，对于反激式拓扑，它需要一个光耦合器， 该部件易于成为系统的弱点， 容易首先损坏。 反激式拓扑的良好替代选项 是 Fly-Buck 拓扑。 Fly-Buck 用于低功率，具有初级侧 调节，这意味着无需光耦合器。 它具有非隔离式和隔离式输出。 具有很宽的输入范围，但是它的调节性不佳。 在这种情况下，调节性不佳意味着大约为正负 5%。 此外，还有其他拓扑，例如有源钳位、半桥 和全桥。 但是，对于这些 PLC 模块所需的功耗要求而言， 这些拓扑通常规模过大。 现在，我想多谈一点Fly-Buck 拓扑、 它的工作原理以及一些重要事项。 首先谈论的是这种拓扑本身。 我们采用标准降压转换器， 它具有以下输出电压。 随后我们采用电感器、二极管和 电容器的组合。 我们将这两者与一对电感器组合到一起。 这将产生右下方所示的 以下等式。 现在，我们指定一个特定的变压器绕组比。 因此，我们的次级输出电压结果 为初级电压乘以变压器 绕组比再减去次级侧二极管的 电压。 我们稍微多讲一点Fly-Buck 的工作原理。 在导通期间，开关 S1闭合而开关 S2 打开。 这意味着电流正在 流经初级电感器，对电容器充电。 然而，因为次级二极管 D1 已反向偏置， 所以在次级侧没有电流在流动。 现在，在 t 关断期间，S1 开启而 S2 关闭。 这意味着，次级电感器上的电压已反向， 因此次级电感器的电压也会反向。 电流在次级侧流动。 我们看一看电流图。 这意味着在 t 导通期间，初级电流始终 在增大，直到开关 S1 打开 且开关 S2 闭合为止。 然后，电流在次级侧流动 而在初级侧减小， 直到整个循环结束，然后 t 再次导通。 对于 Fly-Buck，您应该始终尝试 将占空比保持在40% 到 60% 的范围内。 在此，我想解释一下其原因。 在 Fly-Buck 拓扑中，关断期间会 传输次级侧所需的 所有能量。 这意味着负载周期更长， 因此导通时间也更长， 剩余让能量从初级侧传输到次级侧的 时间将减少。 这将产生很大的峰值电流。 左下方的等式中或右下方的图示中 也显示了这种关系。 总体而言，过低或过高的 占空比需要很短的充电或能量传输 时间，这意味着初级侧或 次级侧出现很大的峰值电流。 您需要注意，例如， 您遇到很大的峰值电流时， 您的变压器也需要很高的饱和电流额定值。 现在，我想谈一谈漏电感。 每台变压器都会受漏电感的影响。 漏电感表示存在没有通过 磁芯返回而是通过空气返回的 磁通线，因此漏电感对 两个电感器之间的耦合不起作用。 以下示例显示了漏电感如何 影响峰值电流和输出电压调节。 您可以看到匝数比为 1 的 Fly-Buck 拓扑的传输功能。 上方的曲线显示初级电压。 其他曲线显示基于占空因素和 不同漏电感的输出电压。 您可以看到两种影响， 一种影响是，在某个点增大占空因素时， 无法再正确调节输出电压。 在漏电感增强时，此影响会更糟糕。 此示例显示了漏电感增大 会如何导致峰值电流增大。 很大的漏电感会进一步 导致系统变得十分缓慢。 您可以看到三条不同的曲线， 它们显示了通过初级电感器的电流 以及在次级侧通过二极管 D1 的电流。 正如您所见，漏电感最低时， 二极管中的峰值电流最大。 然而，如果这超过某个点， 例如蓝线中所示， 漏电感将极高， 这会导致系统太慢而可能 无法再调节输出。 例 3 显示了增大正向电流时 在二极管上出现的电压降。 如果我们再次查看例 2， 会发现漏电感最低时， 通过二极管的电流最大， 这意味着二极管上的正向电压降 也最大。 这会导致调节不佳， 因为初级侧电压得到了调节， 但次级侧电压未得到调节。 这意味着无法检测次级侧的 准确输出电压是多少。 如果您希望了解有关Fly-Buck 拓扑的更多信息， 只需访问我们的网站，然后查找这些电源设计或 TI 设计。 或者只需输入TI.com/automation