TI隔离式DCDC偏置电源的设计难点与解决方案-上篇

大家下午好。 再次感谢大家来参加德州仪器这个工业应用的研讨会。 然后 我先自我介绍一下 我是那个德州仪器中负责高压DC/DC的应用工程师，然后我叫Wilson。 然后我今天的话会给大家介绍那个 我们匣站隔离式的偏置电源的设计上的一个solution。 就是说在第一个方式里面的话 我的同事已经有提到这个Fly-Buck跟Flyback这两个 在工业应用里面比较常见的一个隔离拓扑。 然后我的话就会在这个topic里会进行一个详细的讲解。 然后主要是会在第一个Fly-Buck的（听不清）给大家介绍一下这个拓扑的一些工作原理， 然后一些参数设计。 然后还会介绍一下我们德州仪器在这两个拓扑中的 一些具体的有哪些芯片可以配置成这两种拓扑。 那么 最后的话会给大家介绍 我们现有的 关于这两个拓扑的一些参考设计。 在一些工业的应用中的话 他往往需要一些合理的方案。 比如说我从母板的25V或者 电池的12V， 然后给我后面的那个24V（听不清）。 那么这种24V的母线的话它会有一个特点， 就是说它的 在某些运用场合的话， 它的电压会超到40V 然后在一些48V母线的话它可能会更高 需要到60+V甚至70+V。 因此在这一类的电源中的话 那么它的输入电压就会比较宽吧。 如果是20V母线的话它可能 需要到60V左右。 如果是48V母线的话 那它可能需要最高差不多75V到100V这样一个范围。 然后这种电源的方案的话 它还有一个特点就是说它的那个待机损耗 一般来讲会比较低、 需要隔离。 然后为了一些可靠性要求的话我们有些在实际运用场合的话， 客户一般不怎么喜欢用（听不清）所以说 会用一些原边反馈的方案来实现。 那在具体实际的运用中的话， 比如说 在工业可编程逻辑控制器中的话 他的母线是24V， 然后bus可以从18V变换到32V这样一个范围。 然后再来 IGBT驱动中的话 它也是24V， 但是它出来往往会有出入， 比如说我在（听不清）的话 那么它的驱动就要（听不清） 那么我们就可以通过这样一个方案 然后用一颗芯片 然后通过变压器的一个拨入输出来实现。 然后在这种电动汽车、混合电动汽车级的话 他的一个12V的电池， 但是最后它的那个输入电压范围是6-16V。 相对来讲会比前面的会稍微小一点. 然后在POE这种供电中的话 它的母线一般是48V， 但是它会从一个36V到57V这样的一个变化。 然后最实际的应用的话还会有12V还有5V这两种因素。 其实比较这4种运用的话， 我们可以看到 首先，它的输入电压范围都是比较合适， 虽然说它的母线是12V、24V 或者是48V， 但是它总体来讲的话 它的输入电压的范围会有一点波动。 然后第二的话它是需要一个隔离段的一个要求。 第三点就是说它的整体功率其实都不高 一般在20W以上。 那 所以说对于这么一个运用需求的话 那么我们可以根据现有比较常见的一个隔离拓扑， 然后根据他功率等级的话我们会把它分成三类： 一类是如果我功率在20W以上 甚至15W以上的话 那么我们可以用Fly-Buck来做。 然后我功率稍微大一点的话 那么就用Flyback。 Flyback来讲的话 它的功率可以最高可以做到100W左右。 那如果功率再往上的话， 那就用正磁或者接网来做。 然后我们在这个topic会里面不讲它， 主要是介绍前面两个Fly-Buck与Flyback这两个方案的设计然后一些比较。 之前就是有同事已经讲过，就是Fly-Buck的话， 它主要是一个Buck的降压变换器然后再加上一个 把它里面的那个电感用一个变压器来带， 再经过一个整流器得到这样的一个拓扑。 那其实它就是一个Buck加上一个Flyback这样的一个组合。 所以说它这种Fly-Buck的这种拓扑的话， 它相对于Buck变换器相对起来讲的话， 那首先它相当于是做出了一个隔离。 那相对于Flyback来讲的话 Flyback如果是用两个导体的话， 它只能够在副边侧得到一个隔离的输出。 那我如果做成这种样式的话， 我现在是从原边侧可以得到一个输出， 副边侧也可以得到一个输出， 也就是说 我用一个拓扑就可以得到两个输出， 就是说在两个导体的情况下。 如果Flyback想要得到两个输出的话它至少需要三个绕组 所以说 简单来讲的话， Fly-Buck相对于Flyback来讲它就可以省略一个绕组。 然后还有一些具体的话我们在后面的介绍中再详细讲谈。 然后Fly-Buck的这个变换器它的工作原理 其实跟Buck来讲都差不多。 那就是说分成两个开关模态 当我的驱动信号来的时候它就是上网开通， 这个时候边远电流（听不清） 算是跟Buck一样。 这个时候因为它的变压器是（听不清）是反对的， 所以说原边侧（听不清）侧流输出的话， 因为它是一个二极管把它堵死了 所以说副边侧是没有电流的。 那么当我高压管关掉，然后低压管开通的时候， 这个时候我再往这边侧传递能量。 所以说我这个变压器与副边的电压的话，它其实就是一个 （听不清） 输出电压，再经过一个选择。 然后它 这个是它的一个原边（听不清）的过程。 然后这边的话是输出电荷波形， 经过这个波形，我再经过一个二极管整流 它就可以得到我一个输出电流的波形。 这一类电源贯系它的设计的话其实主要的话是前面四步 第一步就是说因为它有两个输入电压， 所以说首先需要定的是我原边侧的输出电压要多少， 那我副边侧的输出电压的话，它其实就是原边侧的电压乘以一个变压器。 那假设我只对副边侧的电压有要求的话 那么我只有两个灵活度，一个是（听不清）输出电压 和变压器的电频， 那由于 因为在算（听不清）可以看到它其实是在开通管关，就是说上管关的时候 它是向副边传递能量的， 所以说这个上网开通的时间不能够太长。 如果太长的话，他就没有过多的时间往副边侧传递能量。 所以说我们应该是设计把原边侧的电压设计在少于等于½的输入电压。 那么根据降压电话线的原理的话， 它也就是说他高压管开通的时间的话就是应该就是小于0.5的。 然后第二步的话，我们就可以设置，根据我原边侧的设置的电压的 假设我需要 副边需要得到输入电压的话 那么我就可以设置（听不清）电比 然后 在 因为一般的来讲 Buck它的功率比较小， 所以说用配制成Fly-Buck这种芯片的话， 他基本上属于这两个管 开关管 都是在芯片里的 所以说也有一个原边这两个管一个选择， 所以我们需要选择的话 主要是选择副边侧的那个二极管。 那二极管的电流的话就是我们用的输出电流 它的电压的话， 就是输入电压再乘上它的匝比， 这其实比反激的二极管电压运律小一点， 因为反激 Flyback的话 它的二极管的电压运率的话应该是 这一个值还要再加上一个输出电压， 所以说这也是这种Fly-Buck变换器的一个优势。 那后面的话是设计变压器的具体项数。 比如电比然后再根据它这个电流（听不清）我们就可以得到 算出所需要的原边感值。 这个其实跟那个Buck变换器设置是一样的。 后面的输入输出就是说原边电容和副边电容主要是看 你能够接受一个什么样的纹波脉动然后来选择。 那上面的话就是跟大家分享了这个Fly-Buck这个拓扑它的一些工作原理然后我们怎么来进行一个设置。 然后后面一部分的话是给大家介绍 就是说我们现在有哪些芯片可以配置成Fly-Buck这种形式。 那主要其实是由两类： 一类是就是说5017/18/19系列 这一类芯片的话它的那个电流相对来讲会比较小， 然后是电压会支持比较高， 就是说它最高可以支持到100V的 这么一个电压等级大小。 然后我们除了5017 5018系列的话还有2501X系列。 2501X系列的话它主要是针对于那种电流比较小， 然后电压也比较小， 这是我们德州仪器打头阵这一类芯片的一些运营规则。 就是说一般是2打头的系列的话，相比较于没有2的话它的电压等级相当于12分之一左右， 然后它是集成了那个上开关管、下开关管 也就是说我们从这边可以看到的话，它是只有一个芯片，没有上管下管 它的道理就是一个同步的降压变换器。 然后这一类芯片的话它都是属于一个COT控制模式。 所谓COT控制模式就是Constant On-time。 它相比较于就是说传统的公值电流控制的话有一个最大的优点就是 它的反应速度特别快。 因为你如果用产品的公值电流控制的话它的内部普查环节会有一个预设放大器在里面 所以说你必须要有一个下压调节。 那这个Constant On-time的话他就是说是当你的输出电压往下走的时候 一出router电压它就立马开通， 开通一个固定的时间之后再关断， 所以说他是没有一个下压调节这一环节在里面， 所以说它的动态系统会特别好。 那具体如何来设计这个Constant On-time的话， 就是通过你这个R电阻来设计 来设计 让他保证多少时间， 然后 这个17/18/19系列的话， 它按电流分就是600毫安、300毫安和100毫安 那这个是 下面两块就是我们这一系列芯片的两种主要用法。 一种是就是如果你需要用在非隔离场合的话， 那么我们就可以直接就把它当做这个大波变换器来用。 如果你想把它用在隔离场合的话， 那么你在这边加个绕组然后就可以把它变成一个Buck的这样一个solution。