符合隔離式 AC/DC、DC/DC 或 DOSA 標準的電源模塊的設計人員在響應市場對提高性能的要求時面臨著挑戰。本文介紹數字隔離器誤差放大器，它改善了初級側控制架構的瞬態響應和工作溫度范圍。初級側控制器的傳統應用是使用光耦合器提供反饋環路隔離，并使用并聯穩壓器作為誤差放大器和基準。雖然光耦合器通常被視為用于電源的廉價隔離器，但它會將環路帶寬限制在最大50 kHz，實際上，它可以低得多。使用快速可靠的數字隔離器電路，將隔離式誤差放大器和精密基準電壓源功能集成到單個封裝中，將產生具有更低溫度漂移和更高帶寬的精密隔離誤差放大器。隔離式誤差放大器可實現超過250 kHz的環路帶寬，這使得隔離式主電源設計能夠以更快的開關速度運行。采用正確的電源拓撲結構，更快的開關速度允許使用更小的輸出濾波電感器和電容器，從而實現更緊湊的電源。

我們將研究的初始拓撲是反激式轉換器，因為就元件數量而言，這是最簡單的電路。反激式電路可以具有最少的開關，在這種情況下，初級側只有一個，次級側有一個整流二極管。簡單的反激電路通常用于相對較低的輸出功率，但由于右半平面（RHP）零點，它確實具有高輸出紋波電流和低交越頻率。因此，反激式電路需要具有較大輸出紋波電流額定值的大輸出電容值。光耦合器方法如圖1所示，涉及使用并聯穩壓器作為隔離輸出電壓V反饋電壓的誤差放大器O.當用作精度標準時，并聯穩壓器提供典型精度為2%的基準電壓。內部誤差放大器將分壓輸出電壓與并聯穩壓器的基準電壓進行比較，輸出饋送到光耦合器LED電路。光耦合器LED由輸出電壓和串聯電阻提供的電流偏置，所需的電流量基于其數據手冊中所述的光耦合器電流傳輸（CTR）特性。

圖1.帶光耦合器和并聯穩壓器的反激式穩壓器框圖

圖2.光耦合器CTR劣化。

CTR是輸出晶體管電流與輸入LED電流的比值。CTR特性不是線性的，并且因光耦合器而異。如圖2所示，光耦合器CTR在工作壽命期間會有所不同，這使得可靠性設計非常具有挑戰性。您今天設計和測試的光耦合器的初始CTR通常具有二比一的不確定性，并且在高功率和高密度電源的高溫環境中使用或服務多年后，CTR將降低40%。當光耦合器用作線性器件時，它具有相對較慢的傳輸特性（小信號帶寬約為50 kHz），這導致電源的環路響應緩慢。對于反激式拓撲，具有慢傳輸特性可能不是問題，因為這種拓撲要求誤差放大器的補償降低環路帶寬以保持穩定的輸出。光耦合器值得關注的是，其輸出特性隨時間的變化會迫使設計人員進一步降低環路響應，以確保環路的穩定性。環路響應較慢的缺點是這會降低瞬態響應，并且負載瞬變后輸出電壓將需要更長的時間才能恢復。增加更大的輸出電容有助于降低輸出電壓降，但會增加輸出響應時間。這導致了更大、更昂貴的電源設計，而更小、成本更低的解決方案可能是可能的，也是更理想的。

圖3.隔離式誤差放大器取代了光耦合器和并聯穩壓器。

在說明了光耦合器作為線性隔離器實現穩定工作的困難之后，可以檢查隔離式誤差放大器在時間和極端溫度下提供穩定可靠性能的能力。如圖3所示，并聯穩壓器和V裁判功能現在被寬帶運算放大器和1.225 V基準電壓源部分取代，光耦合器現在被基于數字隔離器技術的快速線性隔離器取代。器件右側的運算放大器有一個同相+IN引腳連接到內部1.225 V基準電壓源，還有一個反相?IN引腳，用于通過分壓器連接隔離式DC-DC轉換器輸出中的反饋電壓。COMP 引腳是運算放大器輸出，可用于連接補償網絡中的電阻和電容元件。COMP 引腳在內部驅動發射器模塊，發射器模塊將運算放大器輸出電壓轉換為調制脈沖輸出，用于驅動數字隔離變壓器。在隔離誤差放大器的左側，變壓器輸出信號被解碼并轉換為驅動放大器模塊的電壓。放大器模塊產生 EA 上可用的誤差放大器輸出外引腳，用于驅動DC-DC電路中PWM控制器的輸入。

圖4.隔離誤差放大器輸出精度與溫度的關系

這種新型隔離式誤差放大器的優點包括基準電壓源和運算放大器，其設計用于最小化溫度范圍內的失調和增益誤差漂移。1.225 V基準電壓源電路經過調整，在整個溫度范圍內具有1%的穩定性，比并聯穩壓器更精確，漂移小得多。如圖4所示，隔離式誤差放大器的典型輸出特性在?0°C至+2°C范圍內僅變化40.125%，從而實現高精度DC/DC輸出。為了保持穩定的輸出特性，運算放大器的COMP輸出經過脈沖編碼，以跨越隔離柵發送數字脈沖，然后由數字隔離器變壓器模塊解碼回模擬信號，從而完全消除了使用光耦合器隔離時CTR變化的問題。

對于需要比反激式電路更快的瞬態響應的應用，可以使用隔離式誤差放大器實現推挽拓撲。推挽電路如圖5所示，兩個MOSFET交替接通和關斷，為變壓器的兩個初級繞組充電，然后用二極管對兩個次級繞組進行導通和充電，為輸出濾波電感和電容充電。當適當補償時，推挽式拓撲將非常穩定，具有更快的開關頻率和更快的環路響應。與反激式電路相同的隔離式DC-DC設計示例，即5 V輸入至5 V輸出，輸出電流為1.0 A，現在采用隔離式誤差放大器ADuM3190用于推挽電路。推挽式設計的開關頻率為1.0 MHz，而典型反激式設計的開關頻率較慢，為200 kHz，因此ADuM3190具有更高的帶寬，是比光耦合器更好的選擇。輸出濾波器電容已從典型反激式的200 μF降至推挽式的27 μF，并增加了一個47 μH小電感。圖6所示波形顯示，在100 mA至900 mA負載階躍條件下，帶有隔離誤差放大器的推挽電路的響應時間僅為100 μsec，而典型反激式的響應時間為400 μsec，提高了四倍。與反激式電路看到的輸出電壓變化為400 mV不同，推挽式電路輸出電壓僅變化200 mV，提高了兩倍。采用更快的推挽拓撲結構和隔離式誤差放大器的更高帶寬，可實現高性能、更快的瞬態響應和更小的輸出濾波器。

圖5.帶數字隔離器誤差放大器的推挽式轉換器框圖

圖6.推挽式轉換器，帶數字隔離器誤差放大器 100 mA至900 mA負載階躍。

這些改進得益于400 kHz隔離誤差放大器的高帶寬，可實現更快的環路響應。副邊誤差放大器具有10 MHz的高增益帶寬積，比并聯穩壓器快約1倍，對于隔離式DC-DC轉換器，可實現更高的開關頻率至40 MHz。與光耦合器解決方案不同，光耦合器解決方案在整個壽命和溫度范圍內具有不確定的電流傳輸比，而隔離式誤差放大器的傳遞函數在其使用壽命內不會改變，并且在?125°C至+<>°C的寬溫度范圍內保持穩定。 隨著這些性能的改進，隔離式誤差放大器將成為隔離式DC-DC轉換器電源設計人員的首選解決方案，這些設計人員希望通過初級側控制架構改善瞬態響應和工作溫度范圍。

審核編輯：郭婷