用于空间电源应用的模拟磁隔离器

文丨漫仔说编辑丨漫仔说前言在电力电子应用中，通常必须通过一个电流隔离屏障。这方面的一个例子是隔离的DC/DC转换器的反馈控制，其中二次电压必须被传递到控制电路所在的主侧。对于这些应用，光耦合器在地面应用中是众所周知的。然而，光耦合器更容易遭受空间环境引起的辐射损伤的退化。因此，一些空间级直流/直流转换器使用某种形式的磁反馈。本文提出了一种磁性模拟隔离器。它将允许通过基于磁性变压器的电路使模拟电压通过隔离屏障，它将基于LLC DC/DC转换器，以便可以调整隔离器两侧之间的增益。设计方法将被提出，以便电路可以定制为任何可预见的应用。本文模拟了其在锁存电流限制器中的应用，所有组件都是具有硬版本的离散组件。实验结果部分显示了一个带宽约为20 kHz和增益为4.6 dB的设计示例，以支持分析。磁隔离器简介空间电子设备必须在一个面临极端温度和高辐射剂量的非常恶劣的环境中工作。此外，空间设备必须在这样一个极端的环境下工作多年，而无需维护，由于这个原因，设计必须非常硬化，有时会在小细节上偏离常见的设计。其中一个细节是如何通过电流隔离屏障。例如，通过给PWM调制器，控制隔离变换器的开关，如果控制器位于变压器的次级部分，则提供占空比信息，在地面应用中，光耦合器通常是首选。然而，光耦合器有许多局限性，有些在陆地应用中是众所周知的，如电流传输比（CTR）变化、噪声和低带宽。然而，其他一些更具体的是空间和辐射应用，随着辐射诱导的退化，CTR减少了很多，所以转换器控制回路必须补偿。为了补偿这些影响，人们提出并实施了基于变压器的磁反馈技术。例如，微半的硬直流/直流转换器就有这个特性，磁反馈也被用于地面直流/直流转换器的应用，还有集成电路用于其中，然而，据作者所知，除了上述论点之外，还没有提出具体的设计，本文提出了一种基于谐振直流/直流转换器的模拟隔离器设计方法。此外，还将提供实现灵活设计的设计指南。该隔离器将能够驱动作为电流源运行的电源MOSFET的门，所有的组件都是离散的，几乎所有的组件都属于欧洲首选零部件清单。模拟磁隔离器的设计根据模拟隔离器的总体设计来看，要传输的信号被称为Vin，让我们称为模拟隔离器的主侧，其中Vin驱动一个振幅调制器产生一个AM调制载波。该AM调制载波通过磁性变压器传输，磁性变压器的初级连接到隔离器的一级侧，变压器的二次连接到隔离器的二次侧。在上文中也实现了同样的概念，在这两种情况下，调制阶段都来自直流/DC转换器，隔离器是基于一个以固定频率和占空比工作的前向转换器，该正向转换器的输入电压是要传输Vin的信号，因此使用正向转换器的音频敏感性来传输Vin。在后续进行的实验中也使用了AM调制器概念，但以不同的方式执行。隔离由脉冲电流源驱动的反馈变压器进行，为了与主术语和次术语一致，让我们将由电流源驱动的变压器侧称为次变压器，但在典型的反馈转换器中，它将是主变压器。该电流源以固定的频率和占空比工作，其振幅是恒定的。电压调制是通过固定Vin反射整流器输出来实现的，在这种情况下应该称为初级，因此，当变压器必须去磁时，它将使用电压Vin，它出现在它被采样的另一边，获得Vout。值得注意的是，磁隔离的概念已经被纳入集成电路，如UC1901型号，其中变压器是外部的。另一个带有内部变压器的例子是模拟设备所采用的型号为ADUM3190S。这两种设备都可作为空间级的选项使用，然而，对于某些应用程序，它们可能有点有限，由于这些原因，一个完全离散和自定义电路，可以适应许多输入输出电压范围在这里提出。然而，对于上述集成电路的目标应用，它们的能力超过了本文提出的方法。本文采用了类似的方法，因此隔离器的二次电源不需要电源，直流/直流转换器将使用固定的开关频率和占空比，然而，在这种情况下，它将基于一个谐振的DC/DC转换器，非常类似于著名的LLC转换器。这个拓扑结构将在第3节中进行描述，它使用一个半桥来驱动一个谐振电路，其中包括一个提供隔离的磁性变压器，使用谐振转换器的优点是多种多样的。首先，变压器是交流驱动的，因为Ctank阻塞任何施加的直流电压，因此其磁性材料不能饱和，避免上述实验中描述的所有过程，以避免变压器饱和。其次，可以实现零电压和零电流切换，从而可以利用高频切换，最大限度地提高Vin到Vout传递函数的小信号带宽。对于建议的设计，最好是在MHz范围内的开关频率。第三，由于通过大多数器件的电流是正弦的，EMI问题应该很小，因此光谱内容将被最小化，然而，使用谐振直流/直流转换器拓扑并非没有问题。实验中所使用的欧洲首选部件中的离散组件带来了一些挑战，首先，出现的mosfet是不适合高频切换的高功率设备。因此，所有使用的晶体管都将是双极结晶体管，必须实现双极抗饱和技术来实现在MHz范围内的切换。这些模拟隔离器的设计驱动因素之一是它在一个锁存电流限制器（LCL）中的集成。lcl是欧洲航天局（ESA）航天器使用的一种保护装置，它们的设计目的是将负载所要求的电流限制在一定时间内的固定值，从而保护总线免受过载的影响。如果时间过去，LCL认为有故障并断开负载，它们也被用作开关。通常，限制电流的设备是P通道MOSFET，因为源将连接到总线侧，并且它很容易被电流控制回路驱动，这是指航天器的地面，对lcl需求的完整描述记录在实验数据中，在中可以找到一套完整的解释。锁存电流限制器然而，N通道MOSFETs通常表现出较低的开启状态电阻，因此当它不限制电流时，器件中的欧姆损耗将低于P通道器件。然而，N信道装置的源应连接到负载侧，因此控制回路信息必须参考MOSFET的源部件。这里是模拟隔离器发挥作用的地方，将参考航天器地面的控制回路电压转换为参考源的MOSFET的栅极到源电压，对于此应用程序，理想情况下，模拟隔离器的辅助侧不需要电源。这就排除了使用模拟设备ADUM31190S。为了使MOSFET的开态电阻最小化，所提供的最大输出电压应接近具有降额规定的MOSFET所需的最大栅源电压。由于lcl的动态对速度响应和回路稳定性的动态要求非常严格，因此应仔细验证模拟隔离器的频率响应，然而，模拟隔离器的设计应足够灵活，可用于其他应用，如隔离直流/直流转换器的反馈回路或隔离传感器。这在Ctank形成的LC谐振电路和变压器的泄漏电感的输入处产生一个方形电压波形Vbrigge。在开关频率下的电流通过变压器耦合到二次变压器，在那里它被整流和低通滤波，该电压由互补线性级提供；这就是调幅器。模拟隔离器的输出是对工厂的控制输入，控制动作将由设置Vin的运算放大器来实现。它将感知工厂的输出，并将其与参考Vre f进行比较，并决定需要哪种控制动作来使工厂在Vre f之后的输出。请注意模拟隔离器的输入和输出是如何被控制的，如果工厂是一个隔离的直流/直流转换器，控制和模拟隔离器输入将放置在直流/直流转换器二级，模拟隔离器的输出将参考DC/DC换流器一次。后者是通过存在与所需的一个基极电阻并联连接的电容来实现的，当Vosc高时，这个电容器会充电，当Vosc很低时，这个电容器在晶体管的基底中施加一个小的负电压。谐振网络的设计对Vout和Vin之间的静态增益起着重要的作用。用于分析和设计的程序是基于第一谐波分析（FHA），这是很好的参考，使用FHA的LLC转换器的设计可以在实验中或以设计指南的形式找到。基本上，它将假设，由于Ctank形成的谐振电路和一次泄漏电感Llk1，唯一通过谐振罐循环的电流将是由于施加的平方电压的开关频率fs处的第一次谐波，高次谐波在输出端不会产生任何功率。为了获得这个电流，只需要考虑无功元件的阻抗。然而，大多数文献忽略了二次泄漏电感的影响，因为在大多数变压器中，这个值比磁化电感Lm非常低。笔者观点随着半导体技术的不断发展，为满足高可靠、高精度的电源需求，越来越多的高集成度、高性能的开关电源芯片被开发出来。但在开关电源中，器件间的信号完整性问题一直是最大的瓶颈。由于电路中存在着大量的电磁干扰（EMI），需要使用磁隔离器来消除这种干扰。模拟磁隔离器是一种模拟信号隔离器件，能够对两个输入信号之间存在的电磁干扰进行有效隔离，同时也可对干扰信号进行有效抑制，从而实现电路信号完整性的优化，模拟磁隔离器是一种无源器件，其内部没有电磁元件，因此无需复杂的设计。它是通过在两个输入端之间产生一个低通滤波器，来实现 EMI信号的隔离，同时也可抑制共模干扰（CMI）。模拟磁隔离器作为一种高品质的隔离器件，广泛应用于高可靠、低功耗、宽范围电压等开关电源中。参考文献1.里德： 评估空间辐射环境对光耦合器中参数退化和单事件瞬变的影响，《IEEE跨核科学》，48，2202–2209页，2001年。2.德斯梅恩： 基于FHA的LLC共振转换器设计导向稳态分析，《电力电子、电子驱动、自动化和运动国际研讨会》，2006年5月23-26日；200-207页。3.帕克：高频开关工作中LLC谐振变频器的功率级和反馈回路设计，《电力电子》，32, 7770–7782页，2017年。4.斯蒂格韦德：半桥谐振转换器拓扑的比较，《IEEE跨领域电力电子》，3, 174–182页，1988年。5.拉贝尔：《最近的光耦合器辐射测试数据的概要》，与IEEE核和空间辐射效应会议，2000年7月24-28日，123–146页。