摘要：本文提供的参考设计用于实现APD偏置电源及其电流监测。基于MAX15031 DC-DC转换器，该电路能够将2.7V至11V范围的输入电压经过DC-DC电源转换器后得到一个70V、4mA电源。
 
　　下面列出了参考设计的主要规格、详细的原理图(图1)以及材料清单(表1)。
 
　　设计规格与配置
 
　　2.7V至11V较宽的输入电压范围
 
　　70V输出电压
 
　　4mA输出电流
 
　　400kHz固定开关频率
 
　　-40°C至+125°C工作温度范围
 
　　微型、8mm x 12mm电路板尺寸
 
　　参考设计原理图
 
　　图1所示为参考设计的原理图，输入电压范围为2.7V至5.5V。将CP引脚连接到VIN、去掉电荷泵电容(C3)，该电路可接受5.5V至11V输入范围。
 
 
 
 
　　图1. MAX15031升压转换器原理图，FSW = 400kHz (固定)。
 
　　表1. 材料清单(BOM) Designator Value Description Part Footprint Manufacturer Quantity
 
 
 
 
　　表示本设计性能的波形图
 
　　图2和图3给出了图1所示电路的工作性能，从LX节点的电压波形可以看出，转换器工作在非连续模式。输入(VIN)保持为3.3V，电路设计为产生70V输出电压(VOUT)。
 
 
 
 
　　图2. 3.3V输入时的VIN (通道1)、VOUT (通道2)和APD (通道3)。
 
 
 
 
　　图3. VIN = 3.3V、APD电流为4mA时的LX节点电压(通道1)、VOUT (通道2)和APD输出(通道3)。
 
 
 
 
　　图4. VIN = 3.3V、APD电流为4mA时的输入纹波(通道1)和输出纹波(通道2)。
 
　　图4给出了输入电压为3.3V、负载电流为4mA时，输入(VIN)纹波和输出(VOUT)纹波。
 
　　图5所示波形是当输出电流到达电流门限时RLIM引脚的电压波形。此时的电流门限设置在4mA，达到电流门限时，RLIM两端的电压为1.245V。
 
 
 
 
　　图5. APD电流为4mA时的APD输出(通道2)、VIN (通道3)以及APD电流监测输出(即RLIM两端电压) (通道4)。
 
　　效率测试
 
　　输入电压为3.3V和5V，负载电流在0至4mA范围变化时，对测试结果进行计算得到系统的整体效率，图6所示为70V输出条件下的效率曲线。
 
 
 
 
　　图6. 3.3V和5V输入时，效率与负载电流的对应关系曲线。
 
　　PCB设计
 
　　图7所示为参考设计布局，仅占用12mm x 8mm极小的电路板尺寸。图8和图9分别显示了顶层和底层元件布局。
 
 
 
 
　　图7. 参考设计电路板布局，尺寸为12mm x 8mm。
 
 
 
 
　　图8. 顶层元件布局
 
 
 
 
　　图9. 底层元件布局

单电源运放为什么需要加偏置，如何加偏置？
 1、运放差分输入端可以看做是一个镜像的电流源，如下图：
 
 如果使用单电源供电时，也就是IS1的最终流向是地，如果输入信号是交流信号，那么负半轴的信号并不能让输入端的Q1/Q2处于线性工作状态，会出现严重的放大失真。
 2、通过在差分输入端加入偏置电压可以有效解决该问题。通常偏置最好是Vcc/2，而且为了更好的放大，偏置最好用电源产生，不要使用电阻分压。电阻分压会对放大有影响，对输入信号阻抗也会产生影响。
 下面通过仿真来看下有偏置和没偏置的影响。
 **有偏置：
 
 信号源10mV，60Hz波形，使用同向放大，从波形上看的出来相位相同。
 输出端一定会带有2.5V的直流点位在，因为加了偏置就是2.5V，看到的波形大小不一样，是因为不同通道使用的档位不一样，但是可以从中间栏信号值观察；
 蓝色信号是隔直电容后的信号值，P-P值110mV左右，放大11倍。
 无偏置：
 
 1、蓝色波形出现了严重的负半轴失真现象，而且放大倍数远远低于11倍。
 这就是单电源供电运放有无偏置下的放大影响。
 
备注：
 1、同向输入端串联的电阻R3主要是为了补偿反向输入端因为偏置电流产生的电压影响，设计的过程中建议加上，如果放大倍数大的情况下是能起到很好的补偿作用，常见于跨阻运放对光电流进行放大，同时这也是一种好的习惯。
 2、如果是反向放大的，信号源直接接反向端即可。
 
 放大后的信号与原始信号相位相差180度。

 

 

  
 
 
编者按：
 
您身边有许多隔离式电源可以选择，但需要了解输出数量、调节要求、输出功率、隔离等级、工作温度和输入电压范围等系统级规格。为此，您可以选择这种成本最低、可满足所有系统 要求的解决方案。
 
电子设计人员使用的工具箱日新月异。要找到适合工作的工 具，不仅需要了解手头上的任务和现有工具，还要知道如何充分利用这些工具。
 
对于设计人员来说，在隔离栅内移动信号和电源是一项常见 的挑战。为了提高安全性和抗噪性能，或产生较大的电势差， 可能需要在不同的系统域之间进行隔离。例如，手机充电器通 过内部隔离，可在连接器短路时防止用户触电。 
 
在工厂机器人等其他应用中，敏感控制电路单独接地，并与产 生较大直流电流、噪声和接地反弹的电机隔离。 通常在整个隔离栅中进行通信和感应。具有控制器局域网 (CAN) 或 CAN 灵活数据速率 (FD) 协议通信的汽车应用，通过 集成了隔离组件和收发器组件的隔离式 CAN 收发器，可将这 类信号与汽车的高压侧隔离。
 
工业应用也可以使用 CAN 协议和 RS-485 协议实现长 距离串行通信。与隔离 CAN 和 CAN FD 信号类似，设计人员 可使用专为 RS-485 协议设计的隔离式收发器。保护继电器使 用隔离式电流和电压传感器感应整个电网中的电力输送。牵引逆变器和电机驱动器接收电机控制器发出的 脉宽调制信号，然后信号经过隔离器向栅极驱动器发出开启 或关闭绝缘栅双极晶体管的指令。 
 
通过提供从隔离栅一侧到另一侧的偏置电源，隔离式偏置转 换器可实现隔离通信和感应。电流和电压传感器、数字隔离器 和栅极驱动器通常需要 15W 以下甚至低至几十毫瓦的电源。 
 

 

  
 
 
 
隔离式直流/直流偏置电源要求 无论是具有外部电源开关的控制器、将一个控制器与多个电 源开关集成的转换器，还是将多个控制器、电源开关和变压器 集成为一体的电源模块， 都有许多可提供隔离式偏置电源的解决方案。由于偏置电源 解决方案种类广泛，涉及的应用也是多种多样，为了以超低成 本符合各类规范，全面了解各种应用要求是非常重要的。
 

 

  
 
 
 
设计人员至少应了解偏置电源输入电压范围、输出电压和输出功率要求。一些应用将需多个偏置电压，因此确定每个输出的可接受调节范围至关重要。隔离等级、环境工作温度范围、电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC) 等系统要求会进一步驱动 设计决策。表 1 从极为广泛的角度展示了隔离式偏置转换器 的四种示例规范。 
 
下面我们来看隔离式偏置电源拓扑的部分示例。 
 
反激式 
 
反激式转换器是一种众所周知的拓扑结构，数十年来应用广 泛。这种电源转换器具有灵活性和低成本等特点，可用于多种应用。凭借集成场效应晶体管 (FET) 和初级侧控制等增强功能，这种拓扑结构更加备受瞩目。 
 
与正激、推挽和半桥等降压拓扑相比，反激拓扑仅需要一个初 级开关、一个整流器和一个类似变压器的耦合电感器。 图 2 所示为转换器的简化原理图。初级开关打开时， 输入电压则施加在初级绕组上，在变压器气隙内储存能量。在 这种情况下，仅输出电容器给输出负载供电。初级开关关闭 时，储存在变压器中的能量则通过整流器输送到次级侧，为负 载和输出电容器供电。
 

 

  
 
 
 
反激式转换器完全可用作偏置转换器，原因如下：反激式转换 器能在一个转换级内实现调节和隔离，也可灵活用于多个输出。您可选择输出绕组数量，然后在变压器上缠绕线圈，来匹配您所选的配置。输出绕组电压是占空比与初级绕组和次级 绕组匝数比的函数。也可以将每一输出端作为不同的接地基准点，从而满足系统隔离要求。反激式转换器的其他优势包括 成本相对较低、具有宽的输入输出工作电压范围。 
 
为了实现最佳性能，应对反激式变压器进行合理设计。变压器 应良好耦合且漏感低，从而提高效率、实现最优调节，尤其是在多输出的情况下。 此外，还有必要限制初级侧与次级侧间 的寄生电容，从而防止产生过多的电磁干扰 (EMI)。
 
Fly-Buck™ 转换器 
 
Fly-Buck 转换器是德州仪器 (TI) 用于搭建隔离式偏置电源 的专用拓扑，其工作输入电压可高达 100V。 
 
与反激式转换器一样，金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 通常集成在集成电路 (IC) 中，可轻松实现初级侧 控制。 图 3 所示为 Fly-Buck转换器。 此拓扑采用同步降压转 换器与耦合电感器，可产生一个或多个隔离式输出。高侧开关 打开时，初级侧作为降压转换器运行，而次级绕组电流为零。 高侧开关关闭且低侧开关打开时，初级侧利用其储存的能量 对次级侧供电。
 

 

  
 
 
 
同步降压转换器非常普遍，因此 Fly-Buck 转换器拓扑备受青 睐。由于反馈环路可在初级输出电压处闭合，因此该转换器无 需附加的辅助绕组或光耦合器 进行控制。耦合电感结构灵活，匝数比、隔离等级、次级绕组数 和 PWM 占空比均可控，因此适用于各种应用。 
 
与反激式转换器一样，耦合电感器也必须合理设计。一定要注 意控制漏感和初级侧与次级侧间的寄生电容。对于需要 100V 以上输入的应用，您可以使用具有外部 MOSFET 的 Fly-Buck 转换器。
 
推挽式变压器驱动器 
 
推挽式变压器驱动器是适用于低噪声、小型隔离式电源的常 用解决方案，由具有严格电压调节功能的输入轨供电，开环运行，固定占空比 50%。MOSFET 集成到 IC 中，可实现紧凑的磁解决方案。 
 
图 4 所示为推挽式拓扑。 推挽式拓扑是正激式双端拓扑，有两个 MOSFET 作为接地基准，因此无需外部自举电路。与单端正激式转换器类似，FET的电压应力是输入电压的两倍。两 个 MOSFET 每隔半个周期切换一次，占空比为 50%，驱动变 压器具有中间抽头的绕组。
 

 

  
 
 
 
推挽式变压器驱动器是一种普遍的隔离式偏置电源解决方 案，原因如下：它具有灵活性，能支持多路输出；其开环配置 省去了反馈环路，从而简化设计。推挽式变压器具有较低的 初级-次级电容，与反激式和 Fly-Buck 转换器相比，能降低共 模噪声。另外，推挽式拓扑能更有效地利用变压器铁芯的磁化电流，从而实现比反激式和 Fly-Buck 转换器更小的磁解决方案。
 
尽管变压器驱动器具有许多优点，但也应注意权衡利弊。与反激式和 Fly-Buck 转换器不同，变压器驱动器不支持宽输入电 压范围，因此需严格调节输入电压。由于没有闭合环路，因 此不容易满足输出电压反馈调节要求，可能需要低压降后置稳压器 (LDO)。
 
电源模块 
 
电压模块具有数十年的发展历史。这类解决方案非常普遍，与 分立式实施方式相比，可显著提高集成度。电源模块种类繁 多，可提供输入电压、输出电压、输出功率、输出数量、隔离等 级和调节等选项。 
 
图 5 所示为某电源模块内部运行的方框图。 其拓扑包括变压 器驱动器，与分立式拓扑相似。某些器件可能集成一个输出 LDO 用于调节。
 

 

  
 
 
 
电源模块提供多种选项，可用于大部分隔离式偏置转换器应 用。由于您无需规定、设计或选择变压器，因此可大大简化设 计过程；只需加入输入和输出去耦电容器即可开始设计。同样，也提供同步、输出电压选择、使能和错误信令等其他选项。 
 
您在使用专门配置输出数量和变压器匝数比的模块时，灵 活性可能会有所降低。与额定环境温度为 125°C 的模块相 比，55°C 和 85°C 选项的模块更受青睐。同样地，采用完全增 强型隔离的模块数量也不及采用功能型或基本隔离的模块。
 
下一代偏置解决方案 
 
变压器设计创新和更高频率的拓扑允许 IC 设计人员将变压 器和硅芯片集成到一个 IC 中。终端用户无需设计变压器或降 低系统性能，即可获得小型轻量级的隔离式直流/ 直流偏置电源。 
 

 

  
 
 
 
图 6 所示为德州仪器 (TI) 偏置电源的方框图
 
UCC12050.尽管 UCC12050 看起来与具有集成功率级和整 流器的电源模块类似，但研究 UCC12050 的运行后发现，其 开关频率比电源模块高很多。 
 
与开关频率较低的其他电源相比，UCC12050 的高度和重量 都显著降低。使用内部拓扑控制方案，无需 LDO 或外部反馈 组件即可实现闭环运行。
 
UCC12050 为各种隔离式直流/直流偏置电源应用带来很多 优势。其设计使用 EMI 优化型变压器，初级侧与次级侧之间 的电容仅为 3.5pF，采用噪声控制方案。无需铁氧体磁珠或 LDO，双层 PCB 解决方案本身即符合 CISPR32 B 类标准。该 器件性能强劲，增强型隔离额定值为 5kVrms，额定工作电压 为 1.2kVrms，可在 125°C 环境温度下运行。该器件系列还包 括 UCC12040，其基本隔离额定值为 3kVrms，额定工作电压 为 800Vrms。 
 
UCC12050 专用于 5V 输入、3.3V 至 5.4V 输出、功率为 500mW 的应用。要求更高输入或输出电压的应用将需要前 置或后置转换功能。此外，对于要求功率在 UCC12050 降额 曲线以上的设计，应了解替代拓扑。
 
表 2 对上述各种拓扑进行了比较。 很明显，具有外部变压器 的拓扑能带来最大的灵活性，而电源模块和 UCC12050 简便易用。
 

 

  
 
 
 
结论 
 
您身边有许多隔离式电源可以选择，但需要了解输出数量、调节要求、输出功率、隔离等级、工作温度和输入电压范围等系统级规格。为此，您可以选择这种成本最低、可满足所有系统 要求的解决方案。
 
福利
 
如需完整版白皮书报告，请留言告诉我们，稍后会有工作人员跟进。

 
对于设计人员来说，在隔离栅内移动信号和电源是一项常见的挑战。为了提高安全性和抗噪性能，或产生较大的电势差， 可能需要在不同的系统域之间进行隔离。例如，手机充电器通 过内部隔离，可在连接器短路时防止用户触电。
 

  
 
 
在工厂机器人等其他应用中，敏感控制电路单独接地，并与产生较大直流电流、噪声和接地反弹的电机隔离。通常在整个隔离栅中进行通信和感应。具有控制器局域网 (CAN) 或 CAN 灵活数据速率 (FD) 协议通信的汽车应用，通过 集成了隔离组件和收发器组件的隔离式 CAN 收发器，可将这 类信号与汽车的高压侧隔离。工业应用也可以使用 CAN 协议和 RS-485 协议实现长 距离串行通信。与隔离 CAN 和 CAN FD 信号类似，设计人员 可使用专为 RS-485 协议设计的隔离式收发器。保护继电器使 用隔离式电流和电压传感器感应整个电网中的 电力输送。牵引逆变器和电机驱动器接收电机控制器发出的脉宽调制信号，然后信号经过隔离器向栅极驱动器发出开启 或关闭绝缘栅双极晶体管的指令。通过提供从隔离栅一侧到另一侧的偏置电源，隔离式偏置转 换器可实现隔离通信和感应。电流和电压传感器、数字隔离器 和栅极驱动器通常需要 15W 以下甚至低至几十毫瓦的电源。 图 1 所示为上述每种应用的示例。
 
隔离式直流/直流偏置电源要求无论是具有外部电源开关的控制器、将一个控制器与多个电 源开关集成的转换器，还是将多个控制器、电源开关和变压器集成为一体的电源模块，都有许多可提供隔离式偏置电源的解决方案。由于偏置电源 解决方案种类广泛，涉及的应用也是多种多样，为了以超低成 本符合各类规范，全面了解各种应用要求是非常重要的。
 

  
 
 

  
 
 
设计人员至少应了解偏置电源输入电压范围、输出电压和输 出功率要求。一些应用将需要多个偏置电压，因此确定每个输 出的 可接受调节范围至关重要。隔离等级、环境工作温度范围、电 磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC) 等系统要求会进一步驱动 设计决策。表 1 从极为广泛的角度展示了隔离式偏置转换器 的四种示例规范。 下面我们来看隔离式偏置电源拓扑的部分示例。
 

  
 
 
反激式
 
反激式转换器是一种众所周知的拓扑结构，数十年来应用广 泛。这种电源转换器具有灵活性和低成本等特点，可用于多种 应用。凭借集成场效应晶体管 (FET) 和初级侧控制等增强功 能，这种拓扑结构更加备受瞩目。 与正激、推挽和半桥等降压拓扑相比，反激拓扑仅需要一个初 级开关、一个整流器和一个类似变压器的耦合电感器。 图 2 所示为转换器的简化原理图。初级开关打开时， 输入电压则施加在初级绕组上，在变压器气隙内储存能量。在 这种情况下，仅输出电容器给输出负载供电。初级开关关闭 时，储存在变压器中的能量则通过整流器输送到次级侧，为负 载和输出电容器供电。
 
反激式转换器完全可用作偏置转换器，原因如下：反激式转换 器能在一个转换级内实现调节和隔离，也可灵活用于多个输 出。您可选择输出绕组数量，然后在变压器上缠绕线圈，来匹 配您所选的配置。输出绕组电压是占空比与初级绕组和次级 绕组匝数比的函数。也可以将每一输出端作为不同的接地基 准点，从而满足系统隔离要求。反激式转换器的其他优势包括 成本相对较低、具有宽的输入输出工作电压范围。 为了实现最佳性能，应对反激式变压器进行合理设计。变压器 应良好耦合且漏感低，从而提高效率、实现最优调节，尤其是 在多输出的情况下。 此外，还有必要限制初级侧与次级侧间 的寄生电容，从而防止产生过多的电磁干扰 (EMI)。
 
Fly-Buck™ 转换器
 
Fly-Buck 转换器是德州仪器 (TI) 用于搭建隔离式偏置电源 的专用拓扑，其工作输入电压可高达 100V。 与反激式转换器一样，金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 通常集成在集成电路 (IC) 中，可轻松实现初级侧 控制。 图 3 所示为 Fly-Buck转换器。 此拓扑采用同步降压转 换器与耦合电感器，可产生一个或多个隔离式输出。高侧开关 打开时，初级侧作为降压转换器运行，而次级绕组电流为零。 高侧开关关闭且低侧开关打开时，初级侧利用其储存的能量 对次级侧供电。
 

  
 
 
同步降压转换器非常普遍，因此 Fly-Buck 转换器拓扑备受青 睐。由于反馈环路可在初级输出电压处闭合，因此该转换器无 需附加的辅助绕组或光耦合器 进行控制。耦合电感结构灵活，匝数比、隔离等级、次级绕组数 和 PWM 占空比均可控，因此适用于各种应用。 与反激式转换器一样，耦合电感器也必须合理设计。一定要注 意控制漏感和初级侧与次级侧间的寄生电容。对于需要 100V 以上输入的应用，您可以使用具有外部 MOSFET 的 Fly-Buck 转换器。
 
推挽式变压器驱动器 推挽式变压器驱动器是适用于低噪声、小型隔离式电源的常 用解决方案，由具有严格电压调节功能的输入轨供电，开环运 行，固定占空比 50%。MOSFET 集成到 IC 中，可实现紧凑的 磁解决方案。
 
图 4 所示为推挽式拓扑。 推挽式拓扑是正激式双端拓扑，有 两个 MOSFET 作为接地基准，因此无需外部自举电路。与单 端正激式转换器类似，FET 的电压应力是输入电压的两倍。两 个 MOSFET 每隔半个周期切换一次，占空比为 50%，驱动变 压器具有中间抽头的绕组。
 

  
 
 
推挽式变压器驱动器是一种普遍的隔离式偏置电源解决方 案，原因如下：它具有灵活性，能支持多路输出；其开环配置 省去了反馈环路，从而简化设计。推挽式变压器具有较低的 初级-次级电容，与反激式和 Fly-Buck 转换器相比，能降低共 模噪声。另外，推挽式拓扑能更有效地利用变压器铁芯的磁化 电流， 从而实现比反激式和 Fly-Buck 转换器更小的磁解决方案。
 
尽管变压器驱动器具有许多优点，但也应注意权衡利弊。与反 激式和 Fly-Buck 转换器不同，变压器驱动器不支持宽输入电 压范围，因此需要严格调节输入电压。由于没有闭合环路，因 此不容易满足输出电压反馈调节要求，可能需要低压降后置 稳压器 (LDO)。 电源模块 电压模块具有数十年的发展历史。这类解决方案非常普遍，与 分立式实施方式相比，可显著提高集成度。电源模块种类繁 多，可提供输入电压、输出电压、输出功率、输出数量、隔离等 级和调节等选项。 图 5 所示为某电源模块内部运行的方框图。 其拓扑包括变压 器驱动器，与分立式拓扑相似。某些器件可能集成一个输出 LDO 用于调节。
 

  
 
 
电源模块提供多种选项，可用于大部分隔离式偏置转换器应 用。由于您无需规定、设计或选择变压器，因此可大大简化设 计过程；只需加入输入和输出去耦电容器即可开始设计。同 样，也提供同步、输出电压选择、使能和错误信令等其他选项。 您在使用专门配置输出数量和变压器匝数比的模块时，灵 活性可能会有所降低。与额定环境温度为 125°C 的模块相 比，55°C 和 85°C 选项的模块更受青睐。同样地，采用完全增 强型隔离的模块数量也不及采用功能型或基本隔离的模块。
 
下一代偏置解决方案
 
变压器设计创新和更高频率的拓扑允许 IC 设计人员将变压 器和硅芯片集成到一个 IC 中。终端用户无需设计变压器或降 低系统性能，即可获得小型轻量级的隔离式直流/ 直流偏置电源。 图 6 所示为德州仪器 (TI) 偏置电源的方框图。 UCC12050.尽管 UCC12050 看起来与具有集成功率级和整 流器的电源模块类似，但研究 UCC12050 的运行后发现，其 开关频率比电源模块高很多。 与开关频率较低的其他电源相比，UCC12050 的高度和重量 都显著降低。使用内部拓扑控制方案，无需 LDO 或外部反馈 组件即可实现闭环运行。
 

  
 
 
UCC12050 为各种隔离式直流/直流偏置电源应用带来很多 优势。其设计使用 EMI 优化型变压器，初级侧与次级侧之间 的电容仅为 3.5pF，采用噪声控制方案。无需铁氧体磁珠或 LDO，双层 PCB 解决方案本身即符合 CISPR32 B 类标准。该 器件性能强劲，增强型隔离额定值为 5kVrms，额定工作电压 为 1.2kVrms，可在 125°C 环境温度下运行。该器件系列还包 括 UCC12040，其基本隔离额定值为 3kVrms，额定工作电压 为 800Vrms。 UCC12050 专用于 5V 输入、3.3V 至 5.4V 输出、功率为 500mW 的应用。要求更高输入或输出电压的应用将需要前 置或后置转换功能。此外，对于要求功率在 UCC12050 降额 曲线以上的设计，应了解替代拓扑。
 
表 2 对上述各种拓扑进行了比较。 很明显，具有外部变压器 的拓扑能带来最大的灵活性，而电源模块和 UCC12050 简 便易用。
 

  
 
 
结论
 
您身边有许多隔离式电源可以选择，但需要了解输出数量、调 节要求、输出功率、隔离等级、工作温度和输入电压范围等系 统级规格。为此，您可以选择这种成本最低、可满足所有系统 要求的解决方案。