NVE IsoLoop? IL711/IL610 MSOP隔離式開關(guān)電源演示板技術(shù)解析

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，隔離式開關(guān)電源因其高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。NVE Corporation推出的IsoLoop? IL711/IL610 MSOP隔離式開關(guān)電源演示板，為工程師們提供了一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)參考。本文將深入剖析該演示板的各項(xiàng)特性、電路設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵參數(shù)，幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用這一技術(shù)。

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二、演示板概述

2.1 基本功能

該演示板采用世界上最小的隔離器——NVE IsoLoop? MSOP隔離器，展示了一種隔離式、高效的同步降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)電源（SMPS）。它具有三個(gè)隔離通道，確保輸出與輸入實(shí)現(xiàn)電氣隔離。具體來說，一個(gè)雙通道MSOP - 8隔離器用于隔離同步整流，一個(gè)單通道、故障安全的MSOP - 8隔離器和簡單的脈寬調(diào)制電路用于隔離輸出電壓反饋。

2.2 隔離器優(yōu)勢

MSOP隔離器能夠最小化電路板面積，盡管元件緊湊，但變壓器、隔離器和電路板仍能保持至少3mm的爬電距離。其他IsoLoop版本可通過類似電路提供2.5kV_RMS或5kV_RMS的隔離以及高達(dá)8mm的爬電距離。此外，IsoLoop隔離器具有高速、小尺寸、低電磁干擾（EMI）和高可靠性等特點(diǎn)，其44000年的隔離壽命使得平均無故障時(shí)間（MTBF）比光耦合器或其他固態(tài)隔離器高出數(shù)千倍。

三、評估板規(guī)格

3.1 輸入輸出參數(shù)

• 輸入電壓：標(biāo)稱值為12V（范圍11V - 14V）。
• 標(biāo)稱輸出電壓：3.3 ± 0.05V。
• 最大輸出電流：750mA。

3.2 其他特性

• 過流保護(hù)：具備過流保護(hù)功能，保障電路安全。
• 開關(guān)頻率：約130kHz。
• 隔離耐壓：1.2kV_RMS，符合UL1577標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)時(shí)間為一分鐘。
• 工作溫度：85°C。
• 爬電距離：3mm。

四、IsoLoop隔離器特性

4.1 電氣性能

• 脈沖寬度失真：300ps，可實(shí)現(xiàn)最小死區(qū)時(shí)間。
• 脈沖抖動(dòng)：100ps，確保高精度。
• 瞬態(tài)抗擾度：50kV/μs。
• 低EMI排放：無載波或內(nèi)部時(shí)鐘，有效降低EMI。
• 隔離壽命：44000年。

4.2 封裝選項(xiàng)

• 超小型MSOP - 8：2.5kV_RMS隔離，600V工作電壓。
• 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SOIC - 8：2.5kV_RMS隔離，600V工作電壓。
• 8mm爬電寬體封裝：5kV_RMS隔離，1000V工作電壓。

五、電路板布局與元件清單

5.1 電路板布局

演示板的布局清晰，分為頂層和底層。頂層包含輸入、輸出、變壓器、隔離器等關(guān)鍵元件；底層則有控制器、調(diào)節(jié)器、輸出濾波器等。各元件之間的連接合理，確保了信號的穩(wěn)定傳輸和電路的正常工作。

5.2 元件清單

清單中詳細(xì)列出了各種電容、電阻、二極管、MOSFET、隔離器、控制器等元件的參數(shù)和封裝。例如，電容的容值從47pF到220μF不等，電阻的阻值范圍從0.033Ω到300kΩ。這些元件的選擇和搭配是為了實(shí)現(xiàn)演示板的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)。

六、電路詳細(xì)分析

6.1 電路概述

演示電路主要分為三個(gè)部分：電源控制、同步整流和電壓控制。電源控制部分調(diào)節(jié)變壓器初級的功率；同步整流部分使用同步開關(guān)的MOSFET從變壓器次級提供直流輸出；電壓控制部分通過反饋與輸出電壓對應(yīng)的脈寬調(diào)制信號來控制輸出。三個(gè)隔離通道確保輸出實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

6.2 電源控制

6.2.1 開關(guān)頻率設(shè)置

PWM控制器（U1）通過改變兩個(gè)推挽式功率控制MOSFET（Q2和Q3）的占空比來調(diào)節(jié)輸出?？刂破鞯?a target="_blank">振蕩器頻率由電容C6設(shè)置，約為260kHz，推挽和同步整流MOSFET的開關(guān)頻率為控制器頻率的一半，即大約130kHz。變壓器（T1）在傳輸功率的同時(shí)保持隔離。開關(guān)頻率的計(jì)算公式如下： [f{U 1.8} approx frac{1}{(14 k Omega)(C 6)} ] [f{SWITCH} approx frac{1}{(28 k Omega)(C 6)}]

6.2.2 控制器供電

控制器啟動(dòng)需要至少10.7V的(V{CC})電壓，運(yùn)行時(shí)則需要7V - 10V的電源。在該電路中，通過電阻R1的“涓流充電”啟動(dòng)控制器。二極管D1允許(V{CC})在啟動(dòng)時(shí)超過10V調(diào)節(jié)器（U6）的輸出。啟動(dòng)后，當(dāng)(V{CC})降至約9.3V以下時(shí)，U6開始為控制器供電。最小輸入電壓由控制器的最小啟動(dòng)電源、啟動(dòng)電流和R1決定，計(jì)算公式為： [V{IN(MIN)}=V{CCUV(MAX)}+left(I{CCST(MAX)}right)(R 1); V{CCUV(MAX)}=10.7 V ; I{CCST(MAX)}=250 mu A] 該演示板中R1取值為1.5kΩ，允許最小輸入電壓為11.1V。電阻值增大將提高最小輸入電壓，降低則會因功耗增加而降低效率。演示板的最大輸入電壓為16V，受U6的最大輸入電壓限制。

6.2.3 系統(tǒng)開關(guān)機(jī)電壓與軟啟動(dòng)

控制器的欠壓鎖定（UVLO）輸入引腳在該板中未使用，但可通過電阻分壓器連接到輸入電壓，以精確控制低輸入開關(guān)機(jī)電壓。當(dāng)UVLO低于5V時(shí)，控制器將優(yōu)雅地關(guān)閉。電容C1用于設(shè)置功率開關(guān)占空比的受控斜坡，實(shí)現(xiàn)上電或過載關(guān)機(jī)后的軟啟動(dòng)。0.068μF的電容將軟啟動(dòng)時(shí)間（(t{SS})）設(shè)置為約25ms，計(jì)算公式為： [t{SS}=(385 k Omega)(C 1)] 軟啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)長于由R23、R25和C24設(shè)置的電壓反饋截止頻率。在反饋環(huán)路中有有源電路的情況下，軟啟動(dòng)僅在接近所需輸出電壓的有限范圍內(nèi)有效。

6.2.4 MOSFET死區(qū)時(shí)間與電流限制

電阻R5可用于設(shè)置“死區(qū)時(shí)間”，即Q2或Q3功率控制MOSFET之一關(guān)閉與另一個(gè)開啟之間的最短時(shí)間，確保在高占空比時(shí)兩個(gè)推挽MOSFET不同時(shí)導(dǎo)通。由于該演示板通常不在高占空比下運(yùn)行，因此省略了該電阻，死區(qū)時(shí)間采用控制器的默認(rèn)值。電阻R19設(shè)置逐周期電流限制以及“打嗝模式”短路保護(hù)。0.033Ω的阻值將逐周期MOSFET電流限制（(I{C - C})）設(shè)置為約9A，為峰值工作電流提供一定余量?？刂破鲗⒍搪繁Ｗo(hù)（(I{SCP})）設(shè)置為逐周期限制的兩倍，即18A。電流限制的計(jì)算公式如下： [I{C - C}=frac{0.3 V}{R 19} ] [I{SCP}=frac{0.6 V}{R 19}]

6.3 同步整流

控制器與功率控制MOSFET同步開啟同步整流MOSFET Q1和Q4，即當(dāng)MOSFET的漏極電壓為正時(shí)導(dǎo)通。與二極管整流相比，同步整流更高效，因?yàn)樗硕O管固有的正向電壓損耗。IL711V - 1E雙通道隔離器（U5）用于隔離MOSFET與控制器，其低脈沖寬度失真可最小化死區(qū)時(shí)間并最大化效率，高速特性還能實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而允許使用更小的電感元件。通過調(diào)整電阻R3的值（10kΩ - 200kΩ），可將功率控制同步整流MOSFET的關(guān)斷延遲從約20ns調(diào)整到200ns，以補(bǔ)償MOSFET速度和電感相移，優(yōu)化效率。該演示板使用20ns的延遲，因?yàn)槠銶OSFET速度快且變壓器相對較小。

6.4 電壓控制

6.4.1 輸出電壓確定

輸出電源電壓由三個(gè)電壓參考和幾個(gè)電阻決定。參考電壓包括1.2V和5V的控制器參考（(V{FB})和(V{REF})），以及單獨(dú)的1.25V輸出側(cè)參考（(V_{U 4})）。關(guān)鍵的分壓器包括R6、R9和R12，用于縮放鋸齒波形；R23/R25用于縮放隔離的電壓反饋信號。

6.4.2 脈沖寬度調(diào)制

U7的一半形成一個(gè)弛張振蕩器，其鋸齒波形幅度與電源電壓成正比，也是脈寬調(diào)制的時(shí)間基準(zhǔn)。R6和R9相等，用于使波形居中。鋸齒波的峰 - 峰值幅度由R12設(shè)置（該板上與R12串聯(lián)的微調(diào)器可用于調(diào)整輸出電壓），計(jì)算公式為： [V{U 7.2(P - P)}=V{OUT }[1 - R 12 /(R 9 / 2+R 12)] ; R 6=R 9] U7的另一半將鋸齒波與參考電壓進(jìn)行比較，生成跟隨輸出電壓的脈寬調(diào)制信號。鋸齒波幅度和參考電壓決定了反饋控制范圍，最小控制電壓（反饋占空比為零）和最大控制范圍（100%占空比）的計(jì)算公式如下： [V{OUT(MIN) }=V{U 4}(R 9+2 R 12) /(R 9+R 12) ; V{U 4}=2.5 V ; R 6=R 9] [V{OUT(MAX) }=V{U 4}(2+R 9 / R 12) ; V{U 4}=2.5 V ; R 6=R 9] 該振蕩器電路具有較寬的控制范圍，本演示中，最小控制范圍約為2.8V，最大約為9V，遠(yuǎn)超出關(guān)注范圍。電壓反饋脈寬調(diào)制頻率約為1MHz，計(jì)算公式為： [f{U 7.6}=frac{1}{2(R 10)(C 5)[ln (1+R 9 / R 12)]} ; R 6=R 9] 輸出電壓以占空比編碼，因此精確頻率并不關(guān)鍵。U7輸出占空比與輸出電壓的關(guān)系如下： [delta{U 7.6}=0.5+frac{ln left(V{OUT } / V{U 4}-1right)}{2 ln (1+R 9 / R 12)} ; V_{U 4}=1.25 V ; R 6=R 9] 在輸出目標(biāo)為3.3V時(shí)，該板的元件將占空比設(shè)置為約70%。由于它是閉環(huán)系統(tǒng)的一部分，占空比的非線性不會降低精度，且電路比高線性度脈寬調(diào)制器更簡單。

6.4.3 反饋隔離與電壓設(shè)置

脈寬調(diào)制的反饋信號由IL610 - 1E單通道MSOP隔離器（U8）隔離，該隔離器比常用于此目的的模擬光耦合器更小、壽命更長。IL610本質(zhì)上是故障安全的，當(dāng)沒有線圈電流時(shí)，保證輸出為高電平。反相器U2的輸出在無線圈電流時(shí)為低電平，使控制器要求供電。隔離器的（ - ）線圈端子用作輸入，將隔離器配置為反相器，確保U2輸出相位與比較器U7的輸出相同。隔離器線圈電阻（R13）選擇為在輸出電路的最小工作電壓2.8V下提供至少5mA的最小直流輸入閾值。電容C3是“升壓電容”，確保隔離器在臨界條件下開啟。 R23、R25和C24對隔離的PWM信號進(jìn)行縮放和濾波，將其轉(zhuǎn)換回控制器的隔離反饋電壓。對于需要更快瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用，可使用更復(fù)雜的濾波器或更快的反饋元件?？刂破鞯?V參考電源為反相器供電，因此反饋電壓與5V參考電壓和占空比成正比，通過R23和R25分壓器縮放，計(jì)算公式為： [V{U 1,13}=delta{U 7,1}left( V{REF}right)(R 23) /(R 23+R 25) ; V{REF}=5 V] 由于U1使用電壓模式PWM控制器版本，它將反饋電壓與內(nèi)部1.2V參考（(V{FB})）進(jìn)行比較。在期望的3.3V輸出下，平均反饋電壓應(yīng)為1.2V，因此反饋占空比約為70%?？墒褂肦23和R25設(shè)置輸出電壓，計(jì)算公式為： [R 25 / R 23=delta{VOUT }left(V{REF} / V{FB}right)-1 ; V{REF}=5 V ; V{FB}=1.2 V] 輸出側(cè)的微調(diào)電阻可用于演示目的調(diào)整輸出，可選的R23可用于形成分壓器進(jìn)行另一種調(diào)整方式。

6.5 濾波與頻率補(bǔ)償

6.5.1 輸出濾波

輸出電容用于濾除紋波。在該設(shè)計(jì)中，同步整流和PWM電壓反饋是兩個(gè)主要的紋波源。同步整流紋波與兩倍開關(guān)頻率成反比（因?yàn)槭褂萌ㄕ鳎?。忽略L1的紋波減小效應(yīng)，同步整流輸出紋波分量估計(jì)如下： [V{RIPPLE - SWITCH }=I{LOAD} /left[(C 11)left(2 f_{SWITCH }right)right]] 220μF的電容（C11）在130kHz的開關(guān)頻率下，500mA負(fù)載時(shí)提供的紋波小于10mV。并聯(lián)的低等效串聯(lián)電阻（ESR）電容（C10）可最小化電感電流變化引起的紋波。

6.5.2 PWM信號濾波

R25和C24對隔離的PWM信號進(jìn)行濾波，有助于確保系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性。該濾波器可減少PWM引起的紋波和誤差放大器噪聲，但時(shí)間常數(shù)也會限制瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。濾波器截止頻率遠(yuǎn)高于輸出濾波器和控制器補(bǔ)償截止頻率，因此閉環(huán)控制速度足以保證穩(wěn)定性。對于簡單的單極點(diǎn)濾波器，PWM信號中的紋波約為： [V{RIPPLE - U 13}=V{FB} /left(tau{U 1,13} f{U 7,1}right) ; V{FB}=1.2 V ; tau{U 1,13}=(C 24)[(R 25)(R 23) /(R 25+R 23)]] PWM紋波將反映到輸出，但會被輸出濾波電容減小，計(jì)算公式為： [V{RIPPLE - PWM}=left(V{RIPPLE - U 1.13}right)left(I{LOAD}right) /left[left(V{FB}right)left(f{U 7.6}right)(C 11)right] ; V{FB}=1.2 V] 對于更快的瞬態(tài)響應(yīng)，可使用更復(fù)雜的濾波器或更高頻率的反饋。

6.5.3 誤差放大器增益與控制器補(bǔ)償

控制器誤差放大器在遠(yuǎn)高于放大器補(bǔ)償截止頻率的交流頻率下的增益為： [A_{ERROR - AC}=R 7 / R 25] 更高的增益可減少穩(wěn)態(tài)誤差，但會犧牲增益裕度和穩(wěn)定性。(R7)(C4)通過增加直流增益提高精度和穩(wěn)定性。由(R23||R25)(C24)和(R7)(C3)創(chuàng)建的濾波器限制高頻增益，以減少紋波并提高抗噪性。

6.5.4 電平轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)組件使用三種不同的電源：標(biāo)稱9.3V的控制器電源、5V的控制器參考電源和3.3V的輸出電源?？刂破鞯耐秸?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)器電壓最高可達(dá)控制器電源電壓，但U5隔離器由5V初級側(cè)參考電源供電。因此，電壓分壓器用于使隔離器輸入低于5V但高于其2.4V的最小邏輯高輸入電壓。同步整流MOSFET由U5的3.3V側(cè)驅(qū)動(dòng)，因此選擇柵 - 源閾值電壓遠(yuǎn)低于3.3V的MOSFET。隔離器還在3.3V反饋信號和5V參考電源之間提供固有的電平轉(zhuǎn)換。

七、隔離器系列介紹

7.1 IL700 - 系列隔離器

獲獎(jiǎng)的IsoLoop? IL700 - 系列隔離器因其高速、小尺寸、低EMI和高可靠性，非常適合開關(guān)電源。雙通道隔離器是SMPS的熱門選擇。所有IsoLoop隔離器都具有獨(dú)特的聚合物 - 陶瓷復(fù)合隔離屏障，具有44000年的隔離壽命。該系列提供多種等級、通道配置和封裝選項(xiàng)，如IL710V - 1E、IL711V - 1E等型號，不同型號在傳輸/接收通道、隔離電壓、最大溫度、關(guān)鍵特性和封裝方面有所差異。

7.2 IL600 - 系列故障安全隔離器

獨(dú)特的IL600 - 系列隔離器本質(zhì)上是故障安全的，輸入為無源，類似于LED輸入光耦合器。輸入可配置為反相或同相。該系列提供SOIC和獨(dú)特的MSOP封裝，以及用于板上芯片組裝的裸片。與光耦合器不同，所有IsoLoop隔離器都具有獨(dú)特的聚合物 - 陶瓷復(fù)合隔離屏障，具有44000年的隔離壽命。例如IL610 - 1E、IL611 - 1E等型號，各型號在通道、隔離、溫度等參數(shù)上各有特點(diǎn)。

八、總結(jié)與注意事項(xiàng)

8.1 總結(jié)

NVE IsoLoop? IL711/IL610 MSOP隔離式開關(guān)電源演示板是一款功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)精巧的電源解決方案。它充分展示了IsoLoop隔離器在開關(guān)電源中的優(yōu)勢，通過合理的電路設(shè)計(jì)和元件選擇，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的電源輸出。其獨(dú)特的隔離技術(shù)和豐富的功能特性，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了很好的參考和借鑒。

8.2 注意事項(xiàng)

• 爬電距離：在電源電路中，爬電距離通常至關(guān)重要。NVE隔離器封裝除滿足JEDEC標(biāo)準(zhǔn)外，還有獨(dú)特的爬電規(guī)范。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)參考隔離器數(shù)據(jù)手冊中的推薦焊盤布局，避免標(biāo)準(zhǔn)焊盤庫（特別是MSOP）延伸到封裝下方，以免影響爬電和間隙。同時(shí)，要合理間隔接地和電源平面，避免影響間隙。
• 應(yīng)用限制：NVE產(chǎn)品除非與客戶明確書面約定，否則不設(shè)計(jì)、授權(quán)或保證適用于生命支持、生命關(guān)鍵或安全關(guān)鍵設(shè)備?？蛻粼谑褂肗VE產(chǎn)品時(shí)，需自行負(fù)責(zé)確定產(chǎn)品是否適合其應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并進(jìn)行必要的測試，以避免應(yīng)用和產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

電子工程師在使用該演示板或相關(guān)技術(shù)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳的電源性能。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。