使用MP4582构建隔离Buck电路

MPS芯源系统 2024-11-13 342

描述

本期内容

常见的小功率隔离电源大多采用传统的反激或正激电路，而隔离电源方案里还有一种隔离 Buck 的电路拓扑，在体积和成本上有很大优势。

今天，MPS 工程师手把手教你构建隔离Buck电路！前方高能干货来袭

在新能源、工业、通信设备等应用场景中，通常需要对输入和输出回路、或者对噪声敏感的接地回路进行隔离，如隔离式 RS232、RS485 通信、CAN 收发器，隔离式放大器、传感器等。这样可以避免噪声干扰、器件的 ESD 损坏，同时也可以保证对设备带电操作人员的安全。

常见的小功率隔离辅助电源大多采用反激 Flyback 或正激 Forward 电路（见图1）。

传统反激电路原边反馈的方式，需要多出一个辅助绕组；若采用副边反馈的方式，还需光耦和 TL431 来实现闭环控制；传统正激电路需要辅助绕组实现磁芯复位，次级需要滤波电感和两个整流二极管。

BUCK

图1

隔离电源方案除了传统的反激和正激之外，还有一种隔离 Buck 的电路拓扑。

它将反激与 Buck 小尺寸的优势结合起来，通过将传统 Buck 拓扑中的电感换成带有二次绕组的耦合电感，增加功率二极管和滤波电容演变而来（如图2），其反馈设计简单，无需辅助绕组，在体积和成本上有很大优势。

BUCK

图2

那隔离 Buck 电路具体是怎么工作的呢？下面我们对两种工况下的工作状态进行分析：

首先，当输出 Vo1 为重载，Vo2 为轻载时，上管 Q1 导通期间，下管 Q2 和次级的整流二极管截止，此时原边电感只有原边励磁电流 IM 流过，原边电感电流 IL=IM（如图3）。

BUCK

图3

上管 Q1 截止时，下管 Q2 和次级的整流二极管导通，次级电流 IL2 反射到初级绕组的电流为 IL21，IL21 为负方向。公式如下：

IL21/IL2=N2/N1

IL21=IL2*(N2/N1)

流过电感的原边电流 IL1 是正向励磁电流 IM 与负向 IL21 电流的和：

IL1=IM+IL21

由于 Vo1 为重载，Vo2 轻载，IM 大于 IL21，原边电感电流 IL1 方向为正向（如图4）。

BUCK

图4

而当 Vo1 为轻载，Vo2 为重载时，Q1 导通时工作模式和之前所介绍的相同。

这里重点介绍下 Q2 导通时的工作原理：由于 Vo2 为重载，IL2 反射到初级绕组的电流 IL21 会逐渐大于励磁电感电流 IM，原边电感电流 IL1=IM+IL21 则逐渐由正变负，电感电流反向，如图5。

BUCK

图5

所以 Q2 在这种工况下不能采用二极管。因此若采用 Buck 芯片来构建隔离 Buck 电路时，需要选择工作在 FCCM 的同步 Buck 芯片。

这里跟大家推荐一款 MPS 的新产品MP4582，它支持 4.5V-100V 输入电压范围，具有高达 2A 的输出电流能力，内部还集成了补偿电路。静态电流低至 7μA，内部集成低 Rds(on) (150m/80mohm) MOSFETs，全负载范围内可实现高效率工作。

重点来了，MP4582轻载时可配置为 PSM 或者 FCCM，非常适合新能源场合的隔离 Buck 应用。

接下来，我们来对输入输出电压关系进行推导。

如图6，根据耦合电感初级侧进行伏秒平衡分析可得，初级侧电感在 Q1 导通时，电感两端电压为 Vin-Vo1, 初级侧电感在 Q1 截至时两端的电压为 Vo1，

BUCK

图6

因此可得到

BUCK

换算

BUCK

可得

BUCK

又因为

BUCK

所以最终求得

BUCK

推导完成！工程师朋友们，如果您也有这样的需求，赶紧尝试用MP4582来构建隔离 Buck 的电路吧！

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