设计磁隔离的多个独立辅助电源

简介

DC/DC 变换器中多个开关器件的辅助电源需要独立的隔离电源。以全桥变换器为例，桥臂的上管和下管 MOSFET（分别为 HS-FET 和 LS-FET）需要为栅极驱动电路提供隔离电源。传统方案一般采用自举电路，用一个独立电源同时为上层和下层器件供电。这种解决方案简单、可靠且成本低。

但当桥臂中串联了多个开关 MOSFET 时，电源就需要多个自举电路，这对成本带来了挑战。而且，自举电路中的 HS-FET 电源电压要比 LS-FET 低，差值为一个二极管的压降。因此，两个 MOSFET 的通态特性并不完全对称。

图 1 显示了一个开关储能变换器（STC），其中右侧的三个 LS-FET 可以共享辅助电源，三个 HS-FET 通过自举电路供电，同时左侧的四个 MOSFET 需要相应的辅助电源供电。

采用自举电路会导致电路每一级都产生一定压降，从而导致器件导通状态的不一致。而且使用多个独立电源会增加额外的成本。

在模块化多电平变换器（MMC）中，大量模块都需要独立电源为栅级驱动电路供电，这更会引发成本和复杂性问题。MPS 的 HR1211 是一款多模式 PFC 和电流模式 LLC 组合控制器，可用于实现新型辅助电源方式，为电力电子变换器提供多通道、相互隔离且可靠的独立电源。

在发射端采用独立电源的无线电源可以通过多个解耦的接收线圈提供多个磁隔离的独立辅助电源。如图 2 所示， HR1211、MP1907A MOSFET 驱动器和 MPQ2029-AEC1 低压差 (LDO) 稳压器协同工作可提供多个独立辅助电源。该设计方案利用无线能量传输系统实现了多通道磁隔离。

图 3 所示为采用隔离式独立辅助电源的无线充电系统拓扑结构。系统参数定义如下（其中 x = 1、2、3 或 4）：

·VINV:逆变器直流输入电压

·LT：发射线圈

·LF：补偿电感

·LRx：接收线圈

·CT、CF 和 CRx：补偿电容

·Mx：发射线圈和接收线圈之间的互感 (LRx)

·VRECx：N 沟道整流器直流输出电压

·RLx：N 沟道负载电阻

图 4 所示为基于有限元仿真软件的线圈结构模型。

图 5 所示为 4 个相互解耦的接收线圈对应的 PCB 线圈。

本方案简单、可靠，且满足电气隔离和绝缘等级要求。MPS 产品可广泛应用于辅助电源设计，在 PFC 和 LCC 组合控制器、逆变器模块和 LDO 稳压器之间提供多通道隔离。

PFC 和 LLC 组合控制器

PFC + LLC 电路将来自电网的交流电流（AC）转换为直流电流（DC），能量通过变压器原边传输到副边。

HR1211 可以通过 UART 接口进行配置。其集成节能技术可帮助提升整个工作电压范围内的效率。 PFC 控制器采用了专利数字平均电流控制方案，可实现连续导通 (CCM) 和断续导通 (DCM)混合工作模式。

逆变器模块

逆变器用于将直流电压转换为交流电压，典型频率为 85kHz。MOSFET 必须具有足够的耐压和散热能力。通常用数字信号处理器 (DSP) 为驱动器电路生成脉宽调制 (PWM) 信号，由驱动器电路控制 MOSFET 的开关。MP1907A 是一款高频、100V、半桥、N 沟道功率 MOSFET 驱动器。其下管（LS）和上管（HS）驱动通道可独立控制和匹配，匹配延时小于 5ns。当电源电压不足时，HS 和 LS 驱动电压的欠压锁定 (UVLO) 保护会强制输出低电平，且两个输出都保持低电平，直至检测到任一输入的上升沿。该器件还集成自举二极管以减少外部元器件数量。MP1907A 采用 QFN-10 (3mmx3mm) 封装。

图 7 显示了 MP1907A 的典型应用电路。

图 8 所示为逆变器的电路设计原理图。

低压差（LDO）稳压器

LDO 稳压器是一种直流降压线性稳压器；即使输入电压 (VIN) 或负载电流发生变化，它也能保持稳定的输出电压 (VOUT)。现代 LDO 稳压器电路应具有体积小、噪声低、功耗低、价格低且易于使用等特性。

MPQ2029-AEC1 即是一款低功耗线性稳压器，它采用高压电池为系统供电。该器件具有 3V 至 40V VIN 范围、低压差电压和低静态电源电流。其低静态电流和低压差电压允许器件在超低功耗水平下运行，这也使 MPQ2029-AEC1 成为低功耗微控制器和电池供电设备的理想选择。

MPQ2029-AEC1 具有 1.25V 至 15V 的可调 VOUT 范围。其输出电流在内部受到限制，同时还具有短路、过载和过热条件保护功能。

图 9 显示了 MPQ2029-AEC1 的典型应用电路。

结语

本文探讨了如何通过 HR1211、MP1907A 和 MPQ2029-AEC1 设计多个独立的辅助电源以及无线电力传输系统，从而实现多通道、磁隔离的独立辅助电源方案。相较于采用自举电路为辅助电源供电的传统方案，这种独立电源供电方案更加简单、可靠，而且成本低。

如需了解更多详情，请浏览 MPS 丰富的 PFC/LLC 控制器、MOSFET 驱动器和 LDO 产品选项。