NVE IsoLoop® 2.5 kV MSOP隔离式开关电源演示板技术解析

一、概述

NVE Corporation推出的IsoLoop® 2.5 kV MSOP隔离式开关电源演示板，采用全球最小的隔离器NVE IsoLoop® MSOP隔离器，展示了一款高效的同步降压转换器开关电源（SMPS）。该演示板具备三个隔离通道，确保输出与输入电气隔离，在开关电源领域表现出色。

文件下载：SMPS2-01.pdf

二、评估板与隔离器规格

评估板规格

• 输入电压：额定12V（范围为11V - 14V）。
• 输出电压：额定 3.3 ± 0.05 V。
• 最大输出电流：750 mA，还具备过流保护功能。
• 开关频率：约130 kHz。
• 隔离特性：根据UL1577标准，实现 (2.5 kV_{RMS}) / 一分钟的完全隔离。
• 工作温度：可达100°C，爬电距离为3 mm。

IsoLoop隔离器特性

• 低失真与高精度：300 ps脉冲宽度失真，最小化死区时间；100 ps脉冲抖动，保证高精度。
• 高抗干扰性：50 kV/µs瞬态抗扰度，能有效抵御干扰。
• 低电磁干扰：无载波或内部时钟，电磁辐射极低。
• 长寿命：拥有44000年的隔离寿命，比光耦合器或其他固态隔离器的平均无故障工作时间（MTBF）高出数千倍。
• 多种封装选项：包括超小型MSOP - 8（ (2.5 kV{RMS}) 隔离；600工作电压）、行业标准SOIC - 8（ (2.5 kV{RMS}) 隔离；600工作电压）和具有8 mm爬电距离的宽体（ (5 kV_{RMS}) 隔离；1000工作电压）。

三、电路设计

1. 电路概述

演示电路主要分为三个部分：功率控制、同步整流和电压控制。功率控制部分调节变压器初级的功率；同步整流部分使用同步开关MOSFET从变压器次级提供直流输出；电压控制部分通过反馈与输出电压对应的频率数字信号来控制输出。

2. 功率控制

PWM控制器（U1）通过改变两个推挽式功率控制MOSFET（Q2和Q3）的占空比来调节输出。控制器的振荡器频率由C6设置，约为260 kHz，推挽和同步整流MOSFET的开关频率为控制器频率的一半（约130 kHz）。变压器（T1）在传输功率的同时保持隔离。

• 启动与供电：控制器启动至少需要10.7 V，运行时需要7 - 10 V的电源。电路中通过电阻R1进行“涓流充电”启动控制器，D1允许 (V_{CC}) 在启动时高于10 V稳压器（U6）的输出。启动后，U6开始为控制器供电。
• 开关频率计算： [f{U 1.8} approx frac{1}{(14 k Omega)(C 6)} f{SWITCH} approx frac{1}{(28 k Omega)(C 6)}]
• 输入电压要求：最小输入电压由控制器最小启动电源、启动电流和R1决定： [V{IN(MIN)}=V{CCUV(MAX)}+left(I{CCST(MAX)}right)(R 1); V{CCUV(MAX)}=10.7 V ; I_{CCST(MAX)}=250 mu A]

3. 同步整流

控制器与功率控制MOSFET同步开启同步整流MOSFET Q1和Q4，这种整流方式比二极管整流更高效，因为它消除了二极管固有的正向电压损失。

• 隔离设计：IL711V - 1E双通道隔离器（U5）将MOSFET与控制器隔离，其低脉冲宽度失真可最小化死区时间并提高效率，高驱动能力可驱动高栅极电荷MOSFET。
• MOSFET关断延迟：通过调整R3的值（10 kΩ - 200 kΩ），可将功率控制同步整流MOSFET关断之间的延迟从约20 ns调整到200 ns，本演示中使用20 ns延迟。

4. 电压控制

输出电源电压由三个电压参考值、与作为电压 - 频率转换器的振荡器相关的无源元件以及作为频率 - 电压转换器的单稳态电路决定。

• 电压 - 频率转换：U7构成简单的单芯片张弛振荡器，其频率取决于其电源电压（电源输出）与输出侧参考电压U4的比较。 [f{U 7}=frac{1}{ T{U 7.1(LOW)}+T{U 7.1(HIGH)}} ; T{U 7.1(LOW)}=tau ln frac{V{U 7.4(MAX)}}{V{U 7.4(MIN)}} ; T{U 7.1(HIGH)}=tau ln frac{beta{2} V{OUT}-V{U 7.4(MIN)}}{beta{2} V{OUT}-V_{U 7.4(MAX)}}]
• 反馈隔离：反馈频率信号由IL710V - 1E单通道隔离器（U8）隔离，比常用的模拟光耦合器更小且寿命更长。
• 频率 - 电压转换：单稳态U2作为频率 - 电压转换器，平均输出电压与单稳态脉冲宽度、频率和控制器参考电压成正比： [V{U 1.13}=left(V{REF}right)left(f{U 7}right)left(T{U 2}right) ; V_{REF}=5 V]

四、滤波与频率补偿

输出滤波

输出电容用于滤除纹波，同步整流纹波与两倍开关频率成反比。220 µF电容（C11）在130 kHz开关频率下，500 mA负载时可提供小于10 mV的纹波，并联低ESR电容（C10）可最小化电感电流变化引起的纹波。 [V{RIPPLE - SWITCH }=I{LOAD } /left[(C 11)left(2 f_{SWITCH }right)right]]

数字反馈滤波

R25和C24对隔离反馈信号进行滤波，确保系统闭环稳定性，减少PWM引起的纹波和误差放大器噪声，但时间常数会限制瞬态响应时间。 [V{RIPPLE - U1,13 }=V{FB} /left[(R 25)(C 24)left(f{U 7,1}right)right] ; V{FB}=1.2 V]

误差放大器增益与控制器补偿

误差放大器在交流频率远高于放大器补偿截止频率时的增益为： [A_{ERROR - AC}=R 7 / R 25] 较高的增益可减少稳态误差，但会牺牲增益裕度和稳定性。(R7)(C4)可提高直流增益以提高精度和稳定性，(R25)(C24)和(R7)(C3)组成的滤波器可限制高频增益，减少纹波并提高抗噪性。

五、电平转换与爬电距离维护

电平转换

系统组件使用三种不同的电源：9.3 V标称控制器电源、5 V控制器参考电源和3.3 V电源输出。通过分压器将隔离器输入保持在5 V以下但高于2.4 V的最小逻辑高输入电压，隔离器U8可在3.3 V反馈信号和5 V参考电源之间实现电平转换。

爬电距离维护

爬电距离在电源电路中至关重要，NVE隔离器封装有独特的爬电规范，其数据手册中包含推荐的焊盘布局。设计时需注意标准焊盘库可能会影响爬电和电气间隙，同时要合理布置接地和电源层。

六、IsoLoop® IL700系列隔离器

获奖的IsoLoop® IL700系列隔离器具有高速、小尺寸、低EMI和高可靠性等优点，适用于开关电源。该系列提供多种等级、通道配置和封装选项，具体型号与特性如下表所示：	Model IsoLoop	Transmit/ Receive Channels	Isolation (per UL1577)	Max. Temp.	Key Features	Package
IL710V - 1E	1/0	2500 V RMS	100 C	Ultraminiature	MSOP8
IL711V - 1E	2/0	2500 V RMS	100 C	Ultraminiature	MSOP8
IL712V - 1E	1/1	2500 V RMS	100 C	Ultraminiature	MSOP8
IL710T - 3E	1/0	2500 V RMS	125 C	High Temperature	SOIC8
IL711T - 3E	2/0	2500 V RMS	125 C	High Temperature	SOIC8
IL712T - 3E	1/1	2500 V RMS	125 C	High Temperature	SOIC8
IL721T - 3E	1/1	2500 V RMS	125 C	High Temperature	SOIC8
IL711VE	2/0	5000 V RMS	125 C	True 8 mm Creepage	0.3" SOIC16
IL721VE	1/1	5000 V RMS	125 C	True 8 mm Creepage	0.3" SOIC16

七、其他NVE隔离器评估板

NVE还提供多种其他隔离器评估板，如RS - 485、PROFIBUS、CAN等接口的隔离器评估板，方便工程师进行不同应用的测试和开发。

八、总结

NVE IsoLoop® 2.5 kV MSOP隔离式开关电源演示板凭借其先进的隔离器技术、高效的电路设计和多种保护功能，为开关电源的设计提供了一个优秀的范例。在实际应用中，工程师可以根据具体需求选择合适的隔离器型号和电路参数，以实现高性能、高可靠性的开关电源设计。大家在设计类似开关电源时，不妨参考这款演示板的设计思路，你觉得它的哪些特性最吸引你呢？