罗姆（ROHM）：去光耦隔离电源驱动器，让工业设备更可靠

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罗姆（ROHM）：去光耦隔离电源驱动器，让工业设备更可靠
2016/08/18 上海皇华信息科技方案部
工业设备市场稳步向前发展，2016年预计会达到350亿美元，三年后预计会达到500亿美元的市场规模。在工业设备中，隔离型电源在保护系统安全以及维修人员人身安全方面发挥着重要作用。隔离型电源的保护作用体现在哪里？“第一是针对系统的保护，整个功率系统是通过控制高压大电流的功率器件来实现对整个电路的控制，如何实现电路的控制？实际是弱电部分控制功率器件。在弱电部分很容易受到高压电源的影响，比如电路异常、雷击，高压突然介入，就会影响整个控制电路的逻辑，隔离型电源可以避免这种影响；第二在维修或者设备发生异常时，隔离型电源会切断高压线路电力的来源，同时保证把信号送出去，这就避免了维修人员直接接触强电，从而避免高压电对人身带来伤害。”

为了实现对系统和操作人员的保护，罗姆（ROHM）推出了隔离型反激式DC/DC转换器控制IC“BD7F系列”。且此“BD7F系列具有三大特点：第一，去光电耦合器，简化电路设计，减少零部件数量；第二，通过自适导通时间控制，改善负载响应特性；第三，通过负载补偿纠正输出特性，能够保证在重负载的时候，实现输出电压的平稳。”



无光电耦合器，简化电路设计
传统反激式隔离型电源中，从二次侧到一次侧的反馈通常会使用光电耦合器。光电耦合器是通过一个电流来检测电源输出的电压，这边接收到光信号之后来改变一个电阻。对于寿命，发光二极管寿命是有衰减的，随着时间的推移，检测到同样的电流时，发光二极管的亮度会逐渐衰减，因此半导体感应出来的监控数据也是会逐渐衰减，因为寿命比较短，几年之后就需要更换；对于温度，因为两个半导体器件都是会受到温度变化的影响，工业设备的温度要求通常在-40℃0+85℃之间，无论发光侧和受光侧，随温度的变化温度都会出现特性漂移，也就造成电路会有不稳定状况出现，我们必须做出相应的补偿；它本身是靠电流来发光，所以光电耦合器自身会消耗比较多的电流。由此可以看出，光电耦合器存在寿命短的，温度稳定性漂移和功率消耗的问题。如果去掉光电耦合器，这三种问题就随之解决。


图2：有无光电耦合器电路对比图

为了解决这些麻烦，“BD7F系列”去掉了光电耦合器。可能用户更想知道怎样做到的？
“如图2所示，通过线圈上的开关产生一个波形，然后二次侧来感应出这个电流，从而实现电压的输出。变压器初级的这个波形就是一个开关的波形，这个峰值被称作VSW，就是开关变压的一个模型。实际上VSW是输入电压再加上输出电压和一个匝数比的转换关系。因此VSW包含着与输出相关的一个信息，难点在于怎么把这个信息读取出来，反应到前面，现在的方法就是直接去观测后面的这块，罗姆（ROHM）新开发了一个信息提取电路，把VSW相关的内容提取出来，实现对VSW的监控，把VSW波形提取之后，间接地实现，经过输出电压一次侧反馈。通过这样的方式监控VSW电压，间接控制二次侧，也就取消了前面光电耦合器直接反馈的电路，通过内置提取电路，来实现对二次侧输出电压的监控。”

通过自适应导通时间控制，改善负载响应特性
 

图3：自适应导通时间控制图

非绝缘的DC/DC控制方式有两种，一种是电压模式的控制方式，一种是电流模式的控制方式。这两种方式都是通过一个三角波来实现控制，当负载发生突然变化时，输出电压会有一个波动，速度相对比较慢。 “随着大电流的需求越来越高，间接发展出了导通时间控制，它直接监控输出电压，当它比参考电压低时，到一定时间就会通过直接对输出电压的监控来实现它的直接控制，因此相位补偿不需要去进行设计，因为它的速度很高。另外，负载响应特性良好，广泛应用在CPU，电压比较低，电流比较大，负载变化比较剧烈的情况下。

图3，是我们导通时间控制的方式实现的一个波形，只有当负载电流突变的时候，只有一点波动就能够稳定在一个应当输出的电压方式上。通过对非绝缘的DCDC转换的导通时间控制方式，把它移植到了绝缘内部。我们的自适应导通时间控制，完全实现了导通时间控制上的优点移植，比如：不需要相位补偿，负载响应仍然很好，因此在栅极绝缘驱动器隔离通信部分的电源上可以得到广泛的应用。”

通过负载补偿纠正二极管压降

图4：压降补偿图

如图4所示，因为它不存在直接的反馈，当负载比较大时，电流进入连续区，电压下降比较大。周劲表示，“这很正常，罗姆（ROHM）通过一个电阻来设定反馈的比例，调整这个比例，来实现在大电流的时候，我们能够在某种程度上对输出电压进行补偿，把大电流的时候本来应该跌落的电压进行补偿，从而能在全电流负载上实现输出电压的稳定。而且这个比例是可以调整的，例如，这个电阻选取了43K的时候，当然这个是可以根据负载电流的范围来进行调整，43K实测的一个值，不存在反馈补偿的时候，5.05会下降到4.85左右，下降这么多，在选取了43K补偿电阻的话，基本能够稳定在5伏以上，实现输出电压的稳定，这是罗姆（ROHM）一个独有的技术。”


图5：产品图

生产流程完全，产品稳定供应
在生产中，用户最怕出现的问题就是所采用的产品停产或者断货，这会迫使用户修改设计方案，推迟交货时间，甚至无法交货，工业设备生产用户更是如此，如果出现以上情况损失无法预估。而罗姆（ROHM）的生产加工流程非常完整，从硅片的生产，到制图、研磨，再到晶圆的生成，甚至最后的封装全部是在公司内部完成。周劲坦言，“我们全部的开发设计和晶圆制造，都是在我们内部统一的品质管理之下，相对比较稳定地实现产品的高品质。得益于这个垂直整合型的生产体制的优势，我们能够满足长期供货的要求，会保证十年以上的稳定的供货。”

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