CN214626807U

CN214626807U - 一种用于误差反馈方式对比测试的dcdc隔离电源

Info

Publication number: CN214626807U
Application number: CN202120353832.7U
Authority: CN
Inventors: 张元龙; 徐吉用; 李世伟; 李福�; 龚辉; 张明冠; 卫星舟; 肖良申
Original assignee: Honghe Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Current assignee: Honghe Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2031-02-08

Abstract

本实用新型涉及一种用于误差反馈方式对比测试的DCDC隔离电源，属于隔离电源技术领域。本实用新型包括电源输入单元、PWM控制回路、功率变换回路、整流滤波回路、输出回路、误差反馈回路；电源输入单元、PWM控制回路、功率变换回路、整流滤波回路、输出回路、误差反馈回路依次连接；本实用新型集成了两种电压误差信号反馈电路：一种是传统的基于TL431加光耦模式的误差放大电路，另一种是基于隔离放大器的误差放大电路，通过跳针选择可选择采用哪一种反馈模式，因整个电源其他电路完全相同，所以可以方便直观地对比出两种反馈模式地性能区别。

Description

一种用于误差反馈方式对比测试的DCDC隔离电源

技术领域

本实用新型涉及一种用于误差反馈方式对比测试的DCDC隔离电源，属于隔离电源技术领域。

背景技术

目前开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各类电子设备中，DCDC隔离开关电源是将一个直流电压转换为另一个直流电压，即使在负载发生变化的时候也能够保持输出电压稳定，这是由于引入了负反馈。在开关电源的设计过程中，反馈回路的性能决定了开关电源的输出精度和响应速度，因此设计一个优秀的反馈回路对整个开关电源的性能是至关重要的。其中，误差放大器是反馈回路中的核心环节，它将输出信号与稳定的参考电压进行比较，从而产生误差信号，而误差信号用于调节开关管的导通与关断，使输出电压进行必要的校正。对于隔离式开关电源，传统的误差放大器大多采用TL431配合光耦的方案，其中光耦实现了原边和副边的电气隔离，而TL431提供了误差放大和基准电压。虽然上述的TL431加光耦的反馈方案能够应付绝大部分电源的应用，但是光耦和TL431本身的一些特性，使得该方案也有它的局限性。

光耦传输模拟信号依赖于电流传输比(CTR)，而CTR会受到三方面因素的影响，在设计时需要充分考虑并留有裕量：取决于流过输出端LED的输入电流If；受环境温度影响；LED的发光效率会随时间变低从而引起CTR衰减。

图1左所示光耦的输入输出呈现非线性特征，电压反馈精度不佳，进而影响稳压精度。

图1中所示工作温度范围有限，通常最大工作温度不超100℃，此外，在-40～125℃范围内，TL431通常只能保证±2％的精度，限制了一些高精度输出源的应用。

图1右所示随着电源工作时间地增长，反馈回路地输出特性会发生变化，造成输出电压偏移，同时，光耦具有相对较慢的传输特性(小信号带宽约50～80kHz)，并且传输延时会随时间增加大，这就意味着路响应变慢，负载和输入的变化需要更长的时间来调节达到稳定。

针对TL431加光耦误差反馈方式地不足，一些厂家提供了基于隔离放大器误差反馈解决方案，具有温度范围宽、带宽大、寿命长、集成度高的特点：隔离放大器提供400kHz的带宽，相比于光耦的方案具有更快的环路响应和更佳的瞬态响应，同时允许开关电源工作在更高的开关频率下，从而可以有效减小输出电感的体积。基于光耦合器的解决方案的传递函数是非线性的，随时间和温度而变化；隔离放大器则不同，其传递函数是线性的，非常稳定：隔离式误差放大器的典型输出特性(包括基准源和信号传输)在-40℃至+125℃范围内的变化量仅为0.25％，传递函数在全温度范围和全生命周期内都保持较高的一致性。当跨越隔离栅传输反馈信号时，失调和增益误差极小：隔离放大器内部的1.225V基准电压源在全温度范围内能够保证±1％的精度，比TL431的初始精度更高，温漂也更小可以用于实现高精度的开关电源输出。测试数据如图2所示，如图2所示，可以看出相比于光耦隔离放大器的线性度具有明显的优势。

发明内容

为了克服开关电源传统反馈控制环路(TL431+光隔)的诸多缺点，本实用新型设计了一台开关电源，该电源的控制回路是基于隔离放大器设计的，为了方便对比测试，本电源设计了TL431+光耦的控制回路。

本实用新型技术方案是：一种用于误差反馈方式对比测试的DCDC隔离电源，包括电源输入单元、PWM控制回路、功率变换回路、整流滤波回路、输出回路、误差反馈回路；

所述电源输入单元包括输入接线端子J1、保险管F1、滤波器L2、电容C1、C2、电阻R20、发光二极管LED2；

所述PWM控制回路包括PWM控制器U1、电容C3、C6、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、二极管D1；

所述功率变换回路包括MOS开关管Q1、二极管D2、电阻R10、R9、电容C7、变压器T1、电容C14；

所述整流滤波回路包括二极管组D4、电阻R13、电容C9、电感L1、电容C10、C11；

所述输出回路包括电阻R14、发光二极管LED1、输出接线端子J2；

所述输入接线端子J1的1脚通过二极管D6、保险管F1接J1的2脚；输入接线端子J1的1脚接滤波器L2的4引脚，滤波器L2的3引脚接保险管F1；滤波器L2的1引脚接地，滤波器L2的2引脚分别接电容C1、C2、电阻R1、R20、R9、R2、电容C7的一端、PWM控制器U1的1引脚、变压器T1的第一端；电容C1、C2的另一端接地，电阻R1、R20分别通过电容C3、LED2接地，U1的12引脚通过R2接地，U1的12引脚还通过C3接地，U1的11引脚通过LED2接地，U1的10引脚通过R3接地，U1的9引脚通过C4接地，U1的6引脚接误差反馈回路；U1的2引脚分别接误差反馈回路、二极管D1，U1的2引脚通过C6接地；U1的3引脚通过R8接MOS开关管Q1的G极，U1的5引脚通过R4、R5接MOS开关管Q1的S极，R4、R5之间的接线通过C5接地，MOS开关管Q1的S极分别通过R6、R7接地，MOS开关管Q1的D极分别接D2的正极、变压器T1的第二端，D2的负极通过R10分别与R9的另一端、C7的另一端连接，变压器T1的第三端分别接R13的一端、二极管组D4中第一二极管的正极、二极管组D4中第二二极管的正极，二极管组D4中第一二极管的负极、第二二极管的负极连接在一起后再分别连接L1的一端、C10的一端，R13的另一端接C9的一端，C9的另一端接L1的一端，L1的另一端分别接C11的一端、R14的一端、输出接线端子J2的1引脚、+12V，C11的另一端、输出接线端子J2的2引脚接地，R14的另一端通过发光二极管LED1接地。

本实用新型的有益效果是：该电源集成了两种电压误差信号反馈电路：一种是传统的基于TL431加光耦模式的误差放大电路，另一种是基于隔离放大器的误差放大电路，通过跳针选择可选择采用哪一种反馈模式，因整个电源其他电路完全相同，所以可以方便直观地对比出两种反馈模式地性能区别。

附图说明

图1是本实用新型现有技术中的一种电源衰减示意图；

图2是本实用新型现有技术中的一种电源的测试数据示意图；

图3是本实用新型的结构示意图；

图4是传统的TL431+光耦的反馈控制模式电路图；

图5是一种隔离放大器电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如图1-5所示，一种用于误差反馈方式对比测试的DCDC隔离电源，包括电源输入单元、PWM控制回路、功率变换回路、整流滤波回路、输出回路、误差反馈回路；

如图3所示，进一步地，所述误差反馈回路包括第一误差反馈回路；

所述第一误差反馈回路包括光耦U3、光耦原边限流电阻R19、光耦原边供电及过压保护回路、输出电压取样回路、稳压基准源比较器U2、光耦副边电源及信号输出回路、反馈信号选择跳针H1；

所述光耦原边供电及过压保护回路包括电阻R17、电容C12、二极管D5；

所述输出电压取样回路包括电阻R15、R16、R18、电容C13；

所述光耦副边电源及信号输出回路包括电阻R11、R12、电容C8；

所述误差反馈回路还包括第二误差反馈回路；

所述第二误差反馈回路包括隔离误差放大器U4、滤波电容C15、C16、C17、输出电压取样回路、信号输出限流保护电阻R22、反馈信号选择跳针H2；

输出电压取样回路包括电阻R21、R23、R24；

作为本实用新型的进一步说明，提供如下具体说明：

本实用新型设计的隔离DCDC开关电源，主要参数指标为：

1、输入电压5V；

2、输出电压12V；

3、输出功率36W；

4、隔离耐压2500VAC/1min。

该电源可以采用两个误差反馈控制回路用于做技术对比：

一是采用传统的TL431+光耦的反馈控制模式，电路图如图4所示；

电源的输出电压VOUT通过R1和R2的分压连接到TL431的电压基准引脚TL431内部集成了电压基准(典型值2.5V)和放大器，放大器会根据基准引脚和内部基准的差值输出灌电流If。该电流流过光耦内部的二极管，会在晶体管上产生一个成比例的电流Ic。原边通过RFB电阻上拉，从而产生一个反馈电压VFB。

V_FB＝V_ref-R_FB×I_c＝V_ref-R_FB×_If×CTR

其中，CTR(Current Transfer Ratio)定义为光耦的输出电流Ic与输入电流Ie的比值。VFB是反馈回路通过光耦隔离后传送到原边的误差电压信号，通常情况下，将该信号连接到PWM控制器的COMP引脚，在控制芯片内部与斜坡信号进行比较，调节占空比，从而产生PWM驱动信号，使输出电压在不同输入和负载条件下都能够稳定。

二是采用隔离放大器，本设计采用的是苏州纳芯微公司的NSI3190，如图5所示；

NSI3190内部集成了一个1.225V基准源，可将其连接至内部运放正输入端+IN，电源的输出电压可通过电阻分压反馈至运放负输入端-IN，COMP为运放的输出端，可在COMP引脚和-IN引脚之间引入补偿网络。

COMP输出的误差信号由TX模块调制成PWM信号，并通过隔离栅传送到左侧，实现了原边和副边的隔离。左侧的RX模块对PWM信号进行解码，将调制信号恢复成电压信号，驱动放大器模块；放大器模块产生EAOUT1引脚上的误差放大器输出。该信号可以驱动PWM控制器的COMP脚，在控制芯片内部与斜坡信号进行比较，从而产生PWM驱动信号用于控制开关管的导通时间。

例如，当输出电压VOUT由于负载变化而减小时，分压后送入-IN脚的电压也随之减小，与+IN上的电压(内部基准电压)相比，误差电压增大，也就是VCOMP变大，通过调制-隔离传输-解调的过程后，芯片左侧EAOUT1输出也增大，通过COMP脚送入PWM控制器与斜波信号比较后，得到一个更大占空比的PWM信号，从而控制功率开关管，进而提升VOUT电压，直至稳压状态。应用电路中的输出电压可通过分压器的两个电阻R1和R2设置，输出电压可通过下式计算：

其中，VREFOUT为NSI3190内部基准源1.225V。

本实用新型将两种反馈控制方式集成到一个设备中，方便做技术对比，能够很直观地体现出隔离放大器地优势，如表1所示：

表1性能对比

隔离放大器提供400kHz的带宽，相比于光耦的方案具有更快的环路响应和更佳的瞬态响应，同时允许开关电源工作在更高的开关频率下，从而可以有效减小输出电感的体积。NSI3190内部的1.225V基准电压源在全温度范围内能够保证±1％的精度，比TL431的初始精度更高，同时温漂也更小。隔离式误差放大器的典型输出特性(包括基准源和信号传输)在-40℃至+125℃范围内的变化量仅为0.25％，传递函数在全温度范围和全生命周期内都保持较高的一致性。可以用于实现高精度的开关电源输出。

图3中，对于本实用新型的主要元件及功能说明，如表2进行具体说明；

表2为主要元件及功能说明

整个电路中电源输入单元、PWM控制回路、功率变换回路、整流滤波回路、输出回路都是公用的，两种反馈误差回路通过跳针H1、H2切换分别输入PWM反馈输入引脚，如表3所示：

表3为两种反馈误差回路反馈方式

反馈方式	跳针H1状态	跳针H2状态
			通过TL431加光耦	闭合	断开
通过隔离放大器	断开	闭合

本实用新型在开发中采用了兼容设计，采用该了两种误差反馈方式：一种是基于隔离放大器的进行误差反馈电路，另外一种是TL431加光耦误差反馈方式。两种误差反馈电路可以切换方便对比性能测试。

基于隔离放大器的误差反馈方式相对于TL431加光耦误差反馈方式是一种温度范围宽、响应快、寿命长、集成度高的反馈环路方案。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本实用新型的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种用于误差反馈方式对比测试的DCDC隔离电源，其特征在于：包括电源输入单元、PWM控制回路、功率变换回路、整流滤波回路、输出回路、误差反馈回路；

所述电源输入单元包括输入接线端子J1、保险管F1、滤波器L2、电容C1、电容C2、电阻R20、发光二极管LED2；

所述PWM控制回路包括PWM控制器U1、电容C3、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D1；

所述功率变换回路包括MOS开关管Q1、二极管D2、电阻R10、电阻R9、电容C7、变压器T1、电容C14；

所述整流滤波回路包括二极管组D4、电阻R13、电容C9、电感L1、电容C10、电容C11；

所述输入接线端子J1的1脚通过二极管D6、保险管F1接输入接线端子J1的2脚；输入接线端子J1的1脚接滤波器L2的4引脚，滤波器L2的3引脚接保险管F1；滤波器L2的1引脚接地，滤波器L2的2引脚分别接电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R20、电阻R9、电阻R2、电容C7的一端、PWM控制器U1的1引脚、变压器T1的第一端；电容C1、电容C2的另一端接地，电阻R1、电阻R20分别通过电容C3、发光二极管LED2接地，PWM控制器U1的12引脚通过电阻R2接地，PWM控制器U1的12引脚还通过电容C3接地，PWM控制器U1的11引脚通过发光二极管LED2接地，PWM控制器U1的10引脚通过电阻R3接地，PWM控制器U1的9引脚通过电容C4接地，PWM控制器U1的6引脚接误差反馈回路；PWM控制器U1的2引脚分别接误差反馈回路、二极管D1，PWM控制器U1的2引脚通过电容C6接地；PWM控制器U1的3引脚通过电阻R8接MOS开关管Q1的G极，PWM控制器U1的5引脚通过电阻R4、电阻R5接MOS开关管Q1的S极，电阻R4、电阻R5之间的接线通过电容C5接地，MOS开关管Q1的S极分别通过电阻R6、电阻R7接地，MOS开关管Q1的D极分别接二极管D2的正极、变压器T1的第二端，二极管D2的负极通过电阻R10分别与电阻R9的另一端、电容C7的另一端连接，变压器T1的第三端分别接电阻R13的一端、二极管组D4中第一二极管的正极、二极管组D4中第二二极管的正极，二极管组D4中第一二极管的负极、第二二极管的负极连接在一起后再分别连接电感L1的一端、电容C10的一端，电阻R13的另一端接电容C9的一端，电容C9的另一端接电感L1的一端，电感L1的另一端分别接电容C11的一端、电阻R14的一端、输出接线端子J2的1引脚、+12V电源，电容C11的另一端、输出接线端子J2的2引脚均接地，电阻R14的另一端通过发光二极管LED1接地。