【導讀】誤差放大器作為開(kāi)關(guān)電源中的重要器件，對開(kāi)關(guān)電源環(huán)路進(jìn)行補償，開(kāi)關(guān)電源的輸出的精度和響應速度有著(zhù)重要作用。本文首先將光耦+TL431 和 CA-IS3102W 進(jìn)行了對比，闡述了川土微電子CA-IS3102W在開(kāi)關(guān)電源應用中的優(yōu)勢，給出了典型應用中的一些方法和建議。
01 隔離運算放大器的應用場(chǎng)合及隔離開(kāi)關(guān)電源工作原理
隔離開(kāi)關(guān)電源的基本組成：
a> 功率器件：有源器件如 MOSFET、 IGBT、 SiC、 GaN 等；無(wú)源器件如二極管。
b> 磁性器件：變壓器。隔離電源中變壓器將輸入側（一般為高壓側）和輸出側（一般為低壓側）隔離。能量通過(guò)變壓器從一側傳輸到另外一側。由于兩側地不同，從而實(shí)現隔離。
c> 控制電路：對開(kāi)關(guān)電源的被控制信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。通過(guò)負反饋控制將目標量控制在設定值。
d> 驅動(dòng)電路：電路中存在有源功率器件，這些器件開(kāi)通/關(guān)斷時(shí)需要瞬時(shí)釋放和吸收能量，保證開(kāi)關(guān)管的安全開(kāi)通和關(guān)斷。驅動(dòng)電路也是影響開(kāi)關(guān)電源轉換效率的關(guān)鍵因素之一。
隔離開(kāi)關(guān)電源的工作原理：
1> 控制電路對被控量進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。如圖 1 所示?？刂葡到y對輸出電壓 Vo 進(jìn)行監測。將 Vo 進(jìn)行分壓后和參考電壓進(jìn)行比較，且對誤差信號進(jìn)行放大。一般使用 Type II 或者 Type III 補償。補償放大信號為 COMP。
2> COMP 信號通過(guò)一定方式從隔離一側送到另外一側。外界使用比較多的是光耦方式，也可以使用隔離運算放大器實(shí)現。
3> 將 COMP 信號從一側送到另一側后，再將信號送入電源控制器。
4> 電源控制器內部轉換出 PWM 信號，控制功率驅動(dòng)管從而控制能量使輸出電壓維持在設定值。
使用光耦隔離的隔離開(kāi)關(guān)電源框圖：
在該應用中， TL431 作為基準電壓源提供 2.5V 參考電壓源。同時(shí)通過(guò)改變 Rc 和 Cc 實(shí)現環(huán)路補償。由于光耦必須提供一個(gè)最小工作電流，因此 R1 作為限流電阻使用并且阻值不能太大，二次側產(chǎn)生電流 i1。光耦工作時(shí)，會(huì )將二次側電流按照一定比例(CTR)傳輸到一次側并產(chǎn)生一次側電流 i2。一次側的電阻和電容網(wǎng)絡(luò )將電流信號轉化成電壓信號送至隔離電源控制器， 從而產(chǎn)生控制 PWM 信號驅動(dòng)功率級。
使用電容式隔離運算放大器的開(kāi)關(guān)電源框圖在該應用中，隔離運算放大器作為基準電壓源提供 1.225V 參考電壓源。同時(shí)通過(guò)改變 Z1 和 Z2 的電阻電容網(wǎng)絡(luò )實(shí)現環(huán)路補償。補償后輸出值 COMP 通過(guò) OOK 將模擬信號調制成 PWM 信號，通過(guò)隔離柵后將 PWM 信號還原成模擬信號，輸出為 EAOUT 和 EAOUT2，或者轉化成 IOUT 電流信號。EAOUT 或 EAOUT2 作為控制信號送至隔離電源控制器，從而產(chǎn)生控制 PWM 信號驅動(dòng)功率級。
光耦和 TL431 方案和隔離運算放大器比較：
表1為光耦+TL431 方案和 CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的比較。
通過(guò)比較可知， CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的性能優(yōu)于光耦+TL431 方案：
a> 低參考電壓：使用 CA-IS3101B/CA-IS3102W 可以得到更低的輸出電壓。
b> 基準電壓穩定性：輸出電壓更加穩定。
c> 低基準誤差：輸出電壓精度高。
d> 響應速度快：動(dòng)態(tài)響應速度快。
e> 工作帶寬：動(dòng)態(tài)響應速度快。
f> 工作壽命：產(chǎn)品穩定性及壽命。
02 隔離運算放大器的使用
隔離運算放大器增益的計算：
如圖 4 所示，從 FB 至 COMP 的傳遞函數：
當改變當 Z1 和 Z2 的電阻電容網(wǎng)絡(luò )時(shí)，可以形成不同的補償器，具有不同的頻率響應特性。
圖 5 為 Type I 型補償器。該補償器有 1 個(gè)極點(diǎn)，1 個(gè)零點(diǎn)。
圖 6 為T(mén)ype II 型補償器。該補償器有 2 個(gè)極點(diǎn)，1 個(gè)零點(diǎn)。
圖 7和圖 8 為T(mén)ype III 型補償器。該補償器有3 個(gè)極點(diǎn)，2 個(gè)零點(diǎn)。
由于 CA-IS310x 從 COMP 到 EAOUT 的帶寬為 400kHz，設計隔離開(kāi)關(guān)電源時(shí)，如果開(kāi)關(guān)頻率比較高，則必須考慮該-3dB 帶寬。計算環(huán)路時(shí)必須將此頻率響應曲線(xiàn)添加到補償器中。如圖 9 所示。
頻率響應傳遞函數為：
在實(shí)際應用中，還需要考慮反饋系統的傳遞函數，即從輸出 VOUT 至補償器輸入 FB 的傳遞函數。
在實(shí)際應用中，為了將輸出電壓調整到預定值，一般采用反饋分壓電阻，因此控制環(huán)路中還必須要考慮反饋函數，反饋網(wǎng)絡(luò )如圖 10 所示，假設反饋網(wǎng)絡(luò )傳遞函數為 H(s)。第一種傳遞函數 H(s)=1，第二種傳遞函數H(s) =RB/RB+RT。
從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡(luò )至 EAOUT 的信號傳遞函數
Gain_total_1(s)=
Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。
從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡(luò )至 EAOUT2 的信號傳遞函數
Gain_total_2(s)=
2.6 ? Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。
結合以上計算配合功率級的傳遞函數，就可以計算出整個(gè)系統環(huán)路所需要的補償參數。
IOUT 引腳在系統環(huán)路控制中的應用：
CA-IS3101B/CA-IS3102W 專(zhuān)門(mén)提供一路電流型輸出 IOUT 可直接驅動(dòng)。該電流將 EAOUT2 上的電流進(jìn)行鏡像并在 IOUT 上形成電流，以替代光耦晶體管去驅動(dòng)控制器的 COMP 引腳。
則從 EAOUT2 至 IOUT 的電流小信號傳遞函數Gm_vi(s) = – 2/Rx，從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡(luò )至 IOUT 的小信號傳遞函數 Gain_total_3(s)= 2.6 ?Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)* Gm_vi(s)。
03 小結
CA-IS3101B和CA-IS3102W在隔離開(kāi)關(guān)電源應用中作為反饋和補償網(wǎng)絡(luò )使用。分析了實(shí)際應用中常見(jiàn)的幾種補償網(wǎng)絡(luò )，推導出幾種補償器的傳遞函數。
來(lái)源：川土微電子
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