摘要

本系列第二部分以脈寬調(diào)制(PWM)控制器與并聯(lián)穩(wěn)壓器為參考元件，研究隔離式正激變換器中反饋電路的動態(tài)特性。文章重點分析反饋環(huán)路對瞬態(tài)負(fù)載條件的響應(yīng)及其在維持輸出電壓穩(wěn)定方面的作用。通過LTspice®仿真發(fā)現(xiàn)，光耦合器的偏置狀態(tài)與電流傳輸比(CTR)對反饋信號傳輸?shù)木群退俣染哂嘘P(guān)鍵影響。本文強調(diào)，在高效功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，精心選擇元件與設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)可靠閉環(huán)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵所在。此外，文章還將介紹iCoupler®技術(shù)(傳統(tǒng)光耦合器的最新替代方案)，并闡述這項技術(shù)在性能、集成度與可靠性方面的優(yōu)勢。

引言

在隔離式電源系統(tǒng)中，要實現(xiàn)可靠運行，就必須在負(fù)載條件變化時維持穩(wěn)定的輸出電壓。反饋電路在該調(diào)節(jié)過程中起著關(guān)鍵作用，它能根據(jù)實時輸出電壓偏差，動態(tài)調(diào)整向原邊脈寬調(diào)制(PWM)模塊傳輸?shù)目刂菩盘?。本?jié)將深入探討這類反饋機制的特性，重點圍繞LT3753有源鉗位正激變換器、LT1431并聯(lián)穩(wěn)壓器及光耦合器展開分析。

LT3753專為高效隔離式正激變換器應(yīng)用設(shè)計，具備有源鉗位控制、同步整流、可編程伏秒鉗位等特性。這款器件與LT1431精密并聯(lián)穩(wěn)壓器、光耦合器配合使用時，可構(gòu)成穩(wěn)健的反饋環(huán)路，能快速響應(yīng)瞬態(tài)負(fù)載事件。

本文通過LTspice®仿真，分析反饋電路對突發(fā)負(fù)載階躍的響應(yīng)情況。文章著重強調(diào)，光耦合器的性能(尤其是其電流傳輸比(CTR)與偏置狀態(tài))對反饋信號的構(gòu)建及占空比的有效調(diào)制具有決定性意義。理解這些動態(tài)特性，對設(shè)計可在寬工作條件范圍內(nèi)持續(xù)輸出穩(wěn)定性能的電源起著決定性作用。

反饋電路的動態(tài)特性

為維持穩(wěn)定的輸出電壓，反饋環(huán)路必須對負(fù)載條件的變化做出動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸出電壓下降時(通常由負(fù)載電流突然增大導(dǎo)致)，并聯(lián)穩(wěn)壓器會檢測到這一偏差并減小其陰極電流。此動作會降低流經(jīng)光耦合器發(fā)光二極管(LED)的電流，進(jìn)而減少光輸出量。原邊光電晶體管接收的光信號減少，其集電極電流也隨之降低。這會使PWM控制器補償(COMP)引腳的電壓升高，向控制器發(fā)出信號，促使其增大開關(guān)MOSFET或晶體管的占空比。占空比增大后，會向輸出端傳輸更多能量，助力輸出電壓恢復(fù)至額定值。

相反，當(dāng)輸出電壓升高時(例如負(fù)載突然減小)，反饋機制會啟動響應(yīng)以防止過沖。并聯(lián)穩(wěn)壓器檢測到電壓上升后，會增大流經(jīng)光耦合器LED的正向電流，使光輸出量增加。增強的光信號會使光電晶體管的導(dǎo)通程度提高，進(jìn)而拉低COMP引腳的電壓。PWM控制器將此電壓下降解讀為減小占空比的信號，從而降低向輸出端傳輸?shù)哪芰?。這一校正動作有助于快速抵消電壓尖峰，維持輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

這種動態(tài)調(diào)節(jié)的有效與否，取決于光耦合器能否將LED電流變化迅速地線性轉(zhuǎn)化為光電晶體管的成比例響應(yīng)。理想狀態(tài)下，LED電流波形應(yīng)呈現(xiàn)與負(fù)載階躍同步的急劇變化，而光電晶體管電流則需跟隨這些變化，其延遲時間與幅值由CTR及光耦合器的內(nèi)部響應(yīng)時間決定。如果光耦合器響應(yīng)緩慢或CTR較低，反饋信號可能會出現(xiàn)滯后或衰減，導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)變差，表現(xiàn)為過沖、下沖或穩(wěn)定時間延長。

此外，如果LED電流過低，光電晶體管可能無法充分導(dǎo)通;而電流過高則可能使器件進(jìn)入非線性工作區(qū)域。這兩種情況都會扭曲反饋信號，不僅影響調(diào)節(jié)效果，還可能導(dǎo)致控制環(huán)路失穩(wěn)。因此，若要確保電源在全負(fù)載與全輸入電壓瞬變范圍內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定工作，就必須精心設(shè)置光耦合器偏置，并合理設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)。

LT3753隔離式正激變換器的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)分析

LT3753是一款高性能電流模式PWM控制器，支持8.5V至100V的寬輸入電壓范圍，適用于電信、工業(yè)電源系統(tǒng)及汽車電子等需要隔離式高效功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場景。

LT3753的核心特性之一是有源鉗位控制，可高效回收變壓器漏感能量，降低原邊開關(guān)MOSFET的電壓應(yīng)力，有助于提升高密度電源設(shè)計的效率與可靠性。此外，LT3753還支持同步整流，能為副邊MOSFET提供控制信號，以最小化導(dǎo)通損耗，提升整體功率轉(zhuǎn)換效率。

LT3753內(nèi)置可編程伏秒鉗位功能，允許占空比超過50%，從而提高變壓器利用率并支持更高的輸出功率。LT3753的開關(guān)頻率范圍為100kHz至500kHz，且可與外部時鐘同步，以便進(jìn)行噪聲管理與系統(tǒng)協(xié)同。其他特性還包括可編程軟啟動、打嗝模式短路保護(hù)、帶滯回的欠壓保護(hù)(UVLO)/過壓保護(hù)(OVLO)閾值，可實現(xiàn)穩(wěn)健的故障處理。

LT1431也是本仿真示例設(shè)計的一部分，它是一款精密可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器，內(nèi)置最高5V的基準(zhǔn)電壓，可實現(xiàn)輸出電壓控制。LT1431具備高精度(初始容差0.4%)、低輸出阻抗及快速響應(yīng)的特點，非常適合用于電源中的電壓調(diào)節(jié)與反饋控制。LT1431的灌電流能力可達(dá)100mA，能很好地驅(qū)動隔離系統(tǒng)中的光耦合器。

圖1.隔離式正激變換器中并聯(lián)穩(wěn)壓器與光耦合器的連接方式。

基于圖1中并聯(lián)穩(wěn)壓器與光耦合器的電路連接方式，下面將分析LT3753/LT1431演示電路(用于以太網(wǎng)供電(PoE)的80W有源鉗位非同步正激變換器)在瞬態(tài)負(fù)載下的LTspice仿真結(jié)果。

如圖2所示，當(dāng)輸出電流從0A突然階躍至1.5A(即遭遇瞬態(tài)負(fù)載)時，電源會呈現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)。負(fù)載需求的急劇增加會對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)造成暫時性干擾，表現(xiàn)為輸出端出現(xiàn)電壓跌落。產(chǎn)生這一跌落的原因是：系統(tǒng)初始處于空載運行狀態(tài)，此時僅需傳輸極少能量即可維持輸出電壓。因此，磁元件與輸出電容中存儲的能量不足以立即滿足增大的電流需求。

這種瞬態(tài)工況會打破穩(wěn)態(tài)運行，觸發(fā)系統(tǒng)的反饋控制機制。反饋電路持續(xù)監(jiān)測輸出電壓，并及時檢測輸出電壓與額定值的偏差。一旦檢測到電壓跌落，反饋電路便會生成校正信號，并將校正信號傳輸至原邊PWM控制器。

PWM控制器接收到校正信號后，會動態(tài)調(diào)整開關(guān)波形的占空比。具體而言，它會增加原邊開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間，延長導(dǎo)通周期。這一調(diào)整使得每個開關(guān)周期內(nèi)通過變壓器磁耦合的能量增加，而能量傳輸?shù)奶嵘裳a償增大的負(fù)載電流，助力輸出電壓恢復(fù)至穩(wěn)壓值。

當(dāng)系統(tǒng)過渡到新的負(fù)載工況后，輸出電壓會趨于穩(wěn)定，體現(xiàn)出有效的閉環(huán)調(diào)節(jié)效果。波形分析表明，光耦合器偏置對維持環(huán)路完整性起著關(guān)鍵作用。為實現(xiàn)最佳性能，光耦合器內(nèi)部的LED必須由足夠的正向電流驅(qū)動，以確保線性光響應(yīng);同時，光電晶體管需工作在有源區(qū)，才能精準(zhǔn)調(diào)制反饋信號。

偏置不當(dāng)(如LED側(cè)串聯(lián)電阻選型錯誤)會顯著改變CTR;而CTR是衡量LED與光電晶體管間信號耦合效率的關(guān)鍵指標(biāo)。CTR降低會削弱反饋信號，導(dǎo)致PWM控制器對電壓偏差的響應(yīng)不足;而CTR過高則可能引發(fā)過補償，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。這些影響在瞬態(tài)事件中尤為明顯，因為此時系統(tǒng)需快速應(yīng)對負(fù)載突變。偏置不足會導(dǎo)致校正延遲、電壓過沖/下沖、環(huán)路帶寬降低。

觀測到的波形進(jìn)一步表明，反饋路徑中元件的精準(zhǔn)選型與偏置設(shè)計是核心關(guān)鍵。設(shè)計時需仔細(xì)考量LED正向電壓、CTR容差、光電晶體管集電極電流及補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等參數(shù)，以確保電源在寬工作條件范圍內(nèi)具備穩(wěn)健的瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定的電壓調(diào)節(jié)能力與可靠的系統(tǒng)性能。在隔離式電源應(yīng)用中，光耦合器的合理偏置不僅能提升環(huán)路精度，還有助于增強電磁干擾(EMI)抗擾度與長期可靠性。

圖2.LT3753與LT1431在瞬時負(fù)載瞬態(tài)下的LTspice仿真波形。

iCoupler隔離器與光耦合器：隔離技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變

如今，開關(guān)模式電源(SMPS)的設(shè)計正日益采用iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)，作為傳統(tǒng)光耦合器的更優(yōu)替代方案，尤其適用于對高速通信、高穩(wěn)健性及長期性能有要求的應(yīng)用場景。傳統(tǒng)光耦合器的工作原理是通過LED將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，再由接收端的光電晶體管檢測光信號。盡管這種方式已廣泛應(yīng)用數(shù)十載，但存在若干固有的局限性。其中最顯著的是LED老化問題，隨著時間推移，LED老化會導(dǎo)致信號完整性下降，進(jìn)而降低可靠性。

相比之下，由ADI開創(chuàng)的iCoupler技術(shù)，采用通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的芯片級微型變壓器，可實現(xiàn)數(shù)字信號跨隔離柵傳輸。這種基于變壓器的設(shè)計無需光發(fā)射與光檢測環(huán)節(jié)，因此具備更優(yōu)的溫度穩(wěn)定性、更低的功耗及更長的使用壽命。不同于光耦合器，iCoupler器件不受溫度漂移或LED損耗的影響，是惡劣環(huán)境與關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)的理想之選。

從性能角度看，iCoupler器件支持更高的數(shù)據(jù)速率，通常超過100Mbps，因而非常適合SMPS架構(gòu)中的數(shù)字控制環(huán)路、遙測系統(tǒng)及高速通信接口。此外，iCoupler解決方案常將多隔離通道、DC-DC轉(zhuǎn)換器及診斷功能集成到單個封裝內(nèi)，既能節(jié)省電路板空間，又能簡化設(shè)計復(fù)雜度。

盡管光耦合器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的特點，在模擬反饋環(huán)路中仍較為常見，但在對精度、速度與可靠性要求極高的數(shù)字領(lǐng)域，光耦合器正逐漸被其他技術(shù)取代。例如，在圖3所示方案中，ADP1074將iCoupler隔離功能與同步PWM控制器集成一體，不僅符合安全與法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，還具備先進(jìn)的故障保護(hù)功能，為工業(yè)、汽車及電信應(yīng)用中的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器提供了緊湊且高度集成的解決方案。

圖3.采用iCoupler的隔離式正激轉(zhuǎn)換器。

如今的SMPS設(shè)計逐漸轉(zhuǎn)向iCoupler技術(shù)，這一變化不僅順應(yīng)了“追求更高集成度、更高效率與更強可靠性”的行業(yè)大趨勢，更讓電源系統(tǒng)達(dá)到了新一代電子系統(tǒng)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

基于LT3753的隔離式正激轉(zhuǎn)換器通過由LT1431并聯(lián)穩(wěn)壓器和光耦合器驅(qū)動的反饋回路，展現(xiàn)了有效的瞬態(tài)負(fù)載調(diào)節(jié)能力。仿真結(jié)果凸顯了精確的光耦合器偏置和CTR在確?？焖偾覝?zhǔn)確的占空比調(diào)制方面的重要性。偏置不當(dāng)會使反饋信號失真，導(dǎo)致電壓校正延遲或不穩(wěn)定，尤其是在負(fù)載瞬變期間。相比之下，像iCoupler這樣的隔離技術(shù)提供了更好的帶寬和可靠性，因而成為高速或數(shù)字反饋系統(tǒng)的理想選擇。此外，在設(shè)計穩(wěn)健的反饋回路時，需要仔細(xì)關(guān)注組件在實際條件下的行為，例如溫度漂移和老化。無論是使用LT3753還是其他控制器，本文討論的原理都為實現(xiàn)穩(wěn)定、靈敏和高性能的電源調(diào)節(jié)提供了堅實基礎(chǔ)。

總之，別讓反饋回路“掉鏈子”，要正確地對光耦合器進(jìn)行偏置，并采用創(chuàng)新的設(shè)計策略。