如何设计出分离式电源

工业和医疗应用中的许多模拟功能，如放大器，传感器，数据转换器和其他此类电路，需要正负电源电压才能工作。通常，这种电路需要±5 V，±12 V，±15 V或更高的电压。然而，虽然正电压在典型的印刷电路板（PCB）上是常见的，但是当所需的功率大于1W并且必须隔离电源时，产生负电压变得具有挑战性。

为简化此类任务，德州仪器（TI），Maxim Integrated Products和Linear Technology等半导体供应商已使用各自的转换器芯片或模块生成设计。德州仪器公司产品营销经理Rich Nowakowski撰写的应用笔记中介绍了一种这样的电路。它描述了从单个集成的宽输入降压转换器（如公司的TPS54060）生成分离轨电源的技术。 ，这是一款60 V，0.5 A降压稳压器，集成了高端MOSFET。对于具有双隔离输出电压的更高输出电流，TI采用公司的fly-buck DC/DC转换器TPS55010和现成的变压器提供分离轨解决方案。包括高侧和低侧FET的半桥功率级集成在同一封装中。

图1显示了使用反相降压 - 升压拓扑和变压器耦合分离轨设计产生正输出电压和负输出电压的电路。该设计采用降压型DC/DC转换器TPS54060A实现，该转换器采用60 V，0.5 A降压稳压器，集成了高端MOSFET。除了产生分压之外，DC/DC转换器还配置为调节正电压并使用次级绕组来调节负输出。

图1：使用降压稳压器TPS54060的变压器耦合分离轨设计。

降压转换器TPS54060的接地引脚连接到负输出VONEG，输出电容的正极引线接地。通过选择电阻分压器R1和R2的值来调节输出电压VONEG。变压器的初级侧输出电压反射到次级侧。因为初级和次级绕组的极性相反，所以从初级侧负电压产生正的次级侧电压。

使用该电路，设计人员可在高达100 mA的电流下产生±18 V电压。用于计算本设计中使用的元件值的公式在应用笔记SLVA369A中给出。²可以通过改变转换器电阻分压器的值来产生其他输出电压。设计实例为正负输出电压提供高达100 mA的电流。

有几家制造商提供各种标准值，饱和电流和尺寸的现成耦合电感器。该转换器使用外部补偿进行稳定性优化，并使用集成功率MOSFET来减少部件总数。除了电感和DC/DC转换器，其他主要外部元件是两个功率二极管，以及陶瓷输入和输出电容。其余组件是配置DC/DC转换器的小电阻器和电容器。该解决方案不提供输入和输出之间的隔离。

隔离式分离轨电压

对于需要隔离式分离轨电压的应用，Nowakowski提供了一种采用飞降降压转换器的电路，这是一种反激式拓扑的变体，并集成了一个高低功率级侧功率MOSFET。更重要的是，变压器驱动提供隔离的双输出电压。如图2所示，使用具有2μH变压器的飞降降压转换器TPS55010产生正输出和负输出，使用1：8：8匝数比，在40 mA时提供±15 V输出，每个输出电压为5 V输入源。两个输出的调节精度主要取决于变压器，低侧MOSFET和二极管损耗。因此，输出电压降随着输出电流的增加而增加，这倾向于限制给定输出电压的最大输出功率。

图2：使用带有多绕组变压器的fly-buck转换器产生隔离的正负输出电压。

fly-buck转换器的一个优点是输入和输出通过变压器的磁耦合隔离。此外，由于没有光耦合器，因此使用了初级侧反馈，因此节省了大量成本。此外，集成输出功率级以消除外部功率MOSFET的使用。

初级侧电容器上的电压由控制器调节，该电压通过变压器反射到输出端。 Fly-buck的输出电压由变压器的匝数比和VSENSE引脚上的分压电阻值决定，这为选择输出电压提供了许多选择。同样，为了从+5 V输入产生40 mA的隔离±12 V，凌力尔特公司推荐其LT3574，一种隔离式反激式转换器。该器件直接从初级侧反激波形检测隔离输出电压，不需要光隔离器进行调节。

从电池产生±电压

许多电池供电的产品，如手持式仪器，数据采集系统和面板仪表，3 V锂电池需要±6 V，而模拟电路需要±10 V标准的+5 V逻辑电源。对于需要低电流的此类应用，Maxim Integrated Products已准备好单片CMOS双电荷泵电压转换器，如MAX680/MAX681。如图3所示，单片电压转换器提供正升压电荷泵，从+ 5V输入产生+10 V电压，以及反相电荷泵，产生-10 V输出。两个器件都具有片内8 kHz振荡器。虽然MAX681的封装内部是电容，但MAX680需要四个外部电容才能从单电源产生正负电压。在该示例中使用廉价的电解电容器。

图3：单片电荷泵电压转换器MAX680仅需四个外部电容即可从单电源产生正负电压。

输出源阻抗通常为150Ω，可提供高达10 mA的有用输出电流。低静态电流和高效率使该器件适用于需要单电源产生正负电压的各种应用。

Maxim还推荐MAX865用于更喜欢以更高频率切换的设计。该器件工作频率范围为200至400 kHz，采用较小的电容器。