Обратноходовые преобразователи уже давно являются классической топологией изолированных импульсных преобразователей напряжения средней мощности. Однако им, как и всем изолированным преобразователям, присущ один недостаток – сложность обеспечения стабилизации выходного напряжения, которая как раз является следствием изолированности. Для реализации стабилизации используются несколько решений. В данной статье рассматривается метод, предложенный компанией Analog Devices Inc. (ADI), которая в своих новых контроллерах с широтно-импульсной модуляцией, применила разработанную компанией интегральную гальваническую развязку на основе уже достаточно хорошо зарекомендовавшей себя, технологии iCoupler.

Особенностью обратноходового или, в английской терминологии, - «flyback» преобразователя, является преобразование входного напряжения в выходное путем накопления и сохранения энергии в сердечнике трансформатора в течение времени включения силового колюча, а его передача во вторичную цепь происходит во время его выключения, то есть, на обратном ходу – отсюда и название. Рисунок 1 показывает упрощенную схему такого преобразователя.

Когда переключатель S₁ замкнут, то через первичную обмотку трансформатора Т₁, имеющую индуктивность L_P, с нарастанием со скоростью V_IN/L_P течет ток I_S1. В течение этого времени через вторичную обмотку трансформатора, имеющую индуктивность L_S, ток в нагрузку не поступает. В этот период времени ток нагрузки на вторичной стороне обеспечивается энергией, предварительно накопленной в конденсаторе С₁.
Когда ключ S₁ размыкается, то резкий спад магнитного поля в трансформаторе вызывает изменение полярности напряжения и, соответственно, тока первичной и вторичной обмоток. Энергия, запасенная в первичной обмотке трансформатора, теперь передается на вторичную обмотку. Напряжение на вторичной обмотке резко возрастает и импульс тока, падая со скоростью V_OUT/I_S, поступает в нагрузку и заряжает конденсатор С₁. Диод D₁ здесь используется в качестве пикового выпрямителя.
Передаточная функция обратноходового преобразователя

Преимуществом этой топологии является то, что в ней могут быть с легкостью реализованы напряжения превышающие входное, причем на коротких рабочих импульсах, а также несколько выходных, при необходимости еще и с различной полярностью. Первое реализуется выбором коэффициента трансформации, а второе - путем добавления нескольких вторичных обмоток. Число компонентов в преобразователях этой топологии не велико, так что эта топология хороша для недорогих конечных конструкций.
Однако эта топология не лишена и недостатков. Один из них связан с трансформатором. Его сердечник выполняется с обязательным воздушным зазором, так как он не должен попасть в режим насыщения, даже если имеется значительный положительный постоянный ток, протекающий через обмотку трансформатора. Это недопустимо, так как если сердечник имеет большую петлю магнитного гистерезиса, то КПД в этом случае может резко упасть. Кроме того, из-за высоких пиковых токов могут стать проблемой и потери на вихревые токи в обмотках. Здесь есть еще косвенная проблема, которая заключается в том, что в момент выключения ключа S1 возникает выброс напряжения (его причина - ЭДС самоиндукции), который, если не принять мер, вызывает значительную нагрузку по напряжению сток-исток для коммутирующего обмотку трансформатора полевого транзистора. Однако все это балансируется простотой реализации обратноходовых преобразователей, а не меньшие проблемы есть и у других топологий, особенно когда речь идет о блоках питания небольшой и средней мощности.
Вторая проблема связана с тем, что с гальванически изолированными блоками питания вам должны решить, на какой стороне гальванической развязки будет находиться контроллер, то есть интегральная схема управления. Если он расположен на вторичной стороне, через гальваническую развязку должно обеспечиваться управление силовыми ключами на первичной стороне. Но в случае обратноходовой топологии все, как правило, сосредоточено именно на первичной стороне, а слежение за напряжением необходимо брать со вторичной стороны, для которой, собственно, и необходима поддержка уровня напряжения. В общем виде это показано на Рисунке 2. Регулирование и, соответственно, стабилизация, осуществляется изменением рабочего цикла δ, через время открытия ключа t_ON.

Как можно видеть - это не так уже и сложно, но, тем не менее, здесь имеются проблемы. Чтобы обеспечить стабильность выходного напряжения необходимо передать сигналы регулирования через гальваническую развязку, для чего обычно используются оптоэлектронные приборы в паре с частотно компенсированным усилителем ошибки и источником опорного напряжения. Во-первых, оптоизоляторы – это сами по себе проблема. Во-первых, они имеют ограничение по диапазону рабочих температур, как правило, она не превышает +85 °С. Во-вторых, их коэффициент передачи тока (current transfer ratio, CTR) изменяется со временем, что означает, что меняется и их поведение в течение срока службы блока питания. Также, как уже было сказано, для управления оптопарами требуются дополнительные компоненты, а сам контур обратной связи изолированного источника питания на основе оптронов, даже учитывая компенсацию, обычно очень медленный и не успевает отслеживать быстрые переключения в нагрузке. Ну, и не забываем, что использование оптронов с их обвеской – это еще и площадь на печатной плате, плюс ко всему особенности ее разводки. Причем тут речь идет не только о проводниках и их подключениях, а часто и о вырубках в диэлектрике печатной платы, что необходимо для удлинения путей токов утечки и увеличения воздушных зазоров, требуемых для выполнения стандартов безопасности. А мы живем во время миниатюризации.
Выходное напряжение обратноходового преобразователя может быть стабилизировано и по первичной стороне. Такое решение исключает оптрон и тем самым уменьшает общее число компонентов стабилизатора. Элегантные решения этой проблемы были разработаны в последние годы. Первое решение - это контроллер обратной связи, который не измеряет выходное напряжение напрямую. Это достигается путем мониторинга формы сигнала в первичной обмотке, с использования детектирования точки перегиба кривой намагничивания с целью определения момента, когда ток во вторичной обмотке достигнет нуля. Регулирование здесь также осуществляется изменением рабочего цикла δ, через время открытия ключа t_ON.
На рисунке 3 в качестве примера показано такое решение, выполненное на основе контроллера обратноходового преобразователя LT8301 компании ADI [1]. Благодаря встроенному силовому ключу, причем в корпусе SOT23, здесь требуется очень мало внешних компонентов. Напряжение пробоя изоляции цепи теперь зависит только от используемого трансформатора. Это обеспечивает большую гибкость, особенно если требуются очень высокие напряжения изоляции.

Точность этого регулирования зависит от обычных условий применения, включая входные и выходные напряжения, изменения нагрузки и входного напряжения. Как правило, такие решения используются в преобразователях малой мощности, работающих на относительно стабильные по потребляемой мощности нагрузки. Однако для большого числа применений точность стабилизации в пределах от ± 10% до ± 15% является достаточно хорошей. Для большинства, но не для всех, так как, например, на пятивольтовой нагрузке напряжение может меняться в пределах от 4,35 (при полной нагрузке) и до 5,75 В (в дежурном режиме). И это еще без влияния температуры и не учитывая погрешность начальной установки напряжения, так что картина может быть еще более плачевной. Кроме того, и это вытекает, как следствие из сказанного, такие преобразователи, как правило, имеют ограничения по минимальной нагрузке, что тоже не всегда приемлемо, а их КПД сильно зависит и от нагрузки и от входного напряжения (Рисунок 4).

Как мы видим, схема, показанная на Рисунке 3 оптимизирована только для входного напряжения 24 В, и ее КПД падает на малых токах нагрузки. И что делать? Ведь хочется избежать привязки к трансформатору, улучить характеристики производительности, особенно КПД и стабильность выходного напряжения, еще и место сэкономить. Компания ADI предлагает решение – контроллеры серии ADP1071 [2], которые были впервые представлены в марте 2017 года [5], а коммерчески доступными стали начала 2018 года.
В новое семейство входят изолированные контроллеры синхронного обратноходового преобразователя ADP1071-1 и ADP1071-2, особенностью которых является полностью интегрированный канал обратной связи, выполненный по проприетарной технологии компании ADI - iCoupler®. Вариант исполнения ADP1071-1 предназначен для работы в системах с высокими входными напряжениями, превышающими 60 В, а ADP1071-2 – в низковольтных системах, при входном напряжении ниже 60 В.
Что касается непосредственно самой технологии iCoupler, то она не нова, она известна с начала 2000-х и первоначально использовалась в изолированных интерфейсах [3] или самостоятельно. Она хорошо себя зарекомендовала и начала использоваться, например, сигма-дельта модуляторах и в драйверах затворов. В ее основе лежат трансформаторы на кристалле, которые формируются по КМОП-технологии в процессе изготовления полупроводниковой пластины. Каналы iCoupler могут быть встроены как недорогие функциональные узлы в разнообразные полупроводниковые устройства. Принцип работа изолирующего канала iCoupler показан на Рисунок 5 [4], а его интегральное воплощение - на Рисунке 6 [10].

Принцип работы следующий. Входные логические перепады кодируются импульсами длительностью 1 нс. Каждый положительный перепад вызывает появление двух импульсов, а каждый отрицательный - одного. Эти импульсы поступают на первичную обмотку трансформатора, образованного металлическим проводником на верхней стороне полиимидного диэлектрического слоя. На нижней стороне изолирующего слоя расположена вторичная обмотка трансформатора. Импульсы со вторичной обмотки поступают на декодирующую схему, которая восстанавливает входной сигнал. Таким образом, эту технологию можно использовать в системе на основе ШИМ-модуляции, которая, как известно, является основой любого импульсного стабилизированного источника питания, в том числе и обратноходового. Здесь интегральный трансформаторы выполнят роль гальванической развязки, связав вторичный контур с первичным.
Интегрированная технология iCoupler компании Analog Devices устраняет занимающие много места оптопары и связанные с ними проблемы, что дает уменьшение сложности проекта, сокращение общее число компонентов. При этом она позволяет организовать эффективное регулирование с высоким быстродействием на изменение нагрузки (так называемый сброс/наброс), изменение (а том числе и ступенчатое) входного напряжения, а также повысить надежность системы в целом.
На Рисунке 7 показана функциональная схема обратноходового преобразователя, выполненная на базе микросхемы ADP1071 [6]. Сама микросхема ADP1071 содержит контроллер первичной стороны, схему управления синхронным выпрямителем вторичной стороны для повышения эффективности преобразования и полностью интегрированный канал регулирующей обратной связи с быстрой ответной реакцией на возмущающие воздействия. В отличие от схем регулирования на основе традиционных оптронов, данное решение допускает температуру кристалла до 125 °C.

Микросхемы семейства ADP1071 представляют собой ШИМ-контроллеры синхронных обратноходовых преобразователей со стабилизацией по току индуктивности и фиксированной рабочей частотой. Благодаря встроенными изоляторами и драйверами силовых МОП-транзисторов как первичной, так вторичной стороне, ADP1071 предлагают компактное решение системного уровня и обеспечивают при больших нагрузках более высокую эффективность, чем обратноходовой преобразователь с диодным выпрямителем.
Использование контроллеров семейства ADP1071 исключает применение оптопар повышает надежность системы, расширяет ее рабочий температурный диапазон и решает проблему временной деградации оптронов. Если же говорить в целом, то благодаря интеграции большого количества узлов и функций, в числе которых развитая защита, стабилизация выходного напряжения, режим малой нагрузки с повышенным КПД и драйверы транзисторов синхронного выпрямителя, то площадь печатной платы конечного решения преобразователя будет уменьшена на 35%, а его надежность по сравнению с традиционными преобразователями, реализующими аналогичные функциональные возможности для чего требуется много дискретных компонентов, значительно улучшена. Функции защиты включают в себя: защиту по входному току, защиту от перенапряжения на выходе (OVP), блокировка пониженного напряжения (UVLO), прецизионное включение с регулируемым гистерезисом и защиту от перегрева (OTP).
Для оценки функциональной насыщенности контроллеров семейства ADP1071 достаточно посмотреть на их блок-схему, представленную на Рисунке 8.

Важным моментом рассматриваемых контроллеров является то, что управление ШИМ осуществляется на первичной стороне путем измерения цикла пикового входного тока по циклу с помощью чувствительного резистора на истоке основного ключа. Выходное напряжение преобразователя измеряется на вторичной стороне, с которое, для полного решения контура управления, через встроенные изоляторы отправляются сигналы обратной связи и ШИМ на первичную сторону. Технология iCoupler также обеспечивает широкую полосу пропускания, благодаря чему время реакции на переходные процессы сокращается более чем в пять раз, а выходная емкость уменьшается на 20% При этом общее регулирование (и в итоге стабилизация) выходного напряжения достигается очень точным и, прежде всего, с малым временем установления даже при больших бросках тока в нагрузке и связанных с ними переходных процессах.
Первичная схема в ADP1071-1 / ADP1071-2 включает в себя LDO-стабилизатор напряжением 8 В, датчик входного тока, схему смещения и драйверы МОП- ключей, включая активный драйвер сброса клампера, компенсацию наклона (slope compensation), внешнюю синхронизацию частоты, генератор ШИМ и программируемую под максимальную нагрузку настройку рабочего цикла. Первичная сторона также имеет контакты для дифференциального считывания сигнала с резистивного датчика тока.
Вторичная схема включает схему компенсации петли обратной связи, LDO-стабилизатор напряжением 5 В, внутренний источник опорного напряжения, два драйвера МОП-транзисторов для синхронного выпрямления и специальный вывод для защиты от перенапряжения. Кроме того, вторичная сторона имеет входа для дифференциальное измерение выходного напряжения и программируемую настройку режим работы с малой нагрузкой LLM (LLM - Light Load Mode).
Связь между первичной и вторичной сторонами, передавая сигнал обратной связи и ШИМ через изолирующий барьер, как уже было сказано, обеспечивают интегрированные трансформаторы iCoupler. При этом сигнал обратной связи и синхронизация PWM синхронного выпрямителя передаются между первичной и вторичной сторонами или между вторичной и первичной сторонами через iCouplers, используя запатентованную схему передачи.
Контроллеры ADP1071 предлагают комплексное решение для изолированного источника постоянного тока, объединяя изоляторы с электрической прочностью изоляции 5 кВ (исполнение в корпусе SOIC, для корпуса LGA - 3 кВ) и первичные и вторичные схемы управления в одном 16-ти выводном корпусе SOIC W (установочный размер 10,5 х 10,65 мм, толщина 2,65 мм) или 24-х выводном корпусе LGA (размеры 8,10 х 4,10 мм, толщина 1,20 мм).
Для облегчения проектирования компания ADI предлагает три комплекта оценочных плат [7, 8, 9]. Первый комплект EVAL-ADP1071-1 (Рисунок 9) представляет собой полностью завершенную оценочная плату изолированного источника питания (с диодными выпрямителями на вторичной стороне), который обеспечивает три выходных напряжения +5,5 В, +24 В и -15 В при общей номинальной мощности 15 Вт от входного напряжения 18 – 32 В. Чтобы максимизировать эффективность в условиях малой нагрузки, контроллер ADP1071-1 работает с рабочей частотой преобразования 50 кГц. Это сводит к минимуму коммутационные потери преобразователя и достаточно высока, чтобы поддерживать малые размеры трансформатора. Оценочная плата имеет КПД на уровне 85% и изоляционный барьер 5 кВ. Она выполнена в компактном форм-факторе, что делает ее практически законченным решением пригодным для промышленных применений, которые обычно имеют различные шины напряжения.

Второй комплект ADP1071-2EBZ3.3V (Рисунок 10а) представляет собой полностью завершенную оценочная плату изолированного источника питания в топологии с обратной связью с синхронным выпрямителем, работающим на частоте переключения 200 кГц. Оценочная плата обеспечивает номинальное выходное напряжением 3,3 В с током нагрузки до 3 A и работает от источника напряжения в диапазоне 36 В до 60 В постоянного тока. Также имеется вспомогательный выход 8,0 В постоянного тока, рассчитанный на ток 10 мА. Работа преобразователя осуществляется в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode, CCM).
Третий комплект ADP1071-2EBZ12.1V (Рисунок 10б) представляет собой полностью завершенную оценочная плату изолированного источника питания в топологии с обратной связью с синхронным выпрямителем, работающим на частоте переключения 300 кГц. Оценочная плата обеспечивает номинальное выходное напряжением 12,1 В с током нагрузки до 3 A (длительно) и 5 А (в импульсе), работает от источника напряжения в диапазоне 36 В до 60 В постоянного тока. Работа преобразователя осуществляется в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode, CCM) и обеспечивает такие функции, как прецизионная установка блокировки при пониженном входном напряжении (UVLO), регулировка выходного напряжения, синхронизация, управление постоянным током, запуск с предварительным смещением и комплексные функции защиты.

Графики КПД оценочных плат ADP1071-2EBZ3.3V и ADP1071-2EBZ12.1V в зависимости от нагрузки и входных напряжений приведены на Рисунке 11.

Благодаря интегрированной гальванической развязке и драйверам в первичной и вторичной цепи эти контроллеры позволяют получить компактное решение, дающее больший КПД по сравнению с обратноходовыми преобразователями на диодных выпрямителях при высоких нагрузках. Микросхемы ADP1071-1 и ADP1071-2 имеют все необходимые сертификаты безопасности (UL, CSA, VDE, CQC) и идеально подходят для проектирования DC/DC- и AC/DC-преобразователей (при этом контроллер запитывается от вспомогательной обмотки, а его запуск осуществляется от цепи высокого напряжения [2]) с гальванической развязкой, применяемых в базовых станциях, устройствах с питанием через кабель Ethernet (Power of Ethernet, PoE), в системах с архитектурой распределенного питания, а также коммутаторах/маршрутизаторах сетей уровня предприятия и для телекоммуникационного и промышленного оборудования.
Технические характеристики:

• Интегрированная изоляция 5 кВ, технология iCoupler с Analog Devices, Inc.,
• Контроллер в режиме непрерывной проводимости (CCM) для топологии с обратной связью
• Программируемый LLM или CCM для приложений с высоким входным напряжением
• Программируемая компенсацию наклона (slope compensation)
• Встроенный 1 A драйвер МОП-транзистора первичной стороны
• Встроенные 1 A драйвер МОП-транзистора вторичной стороны для синхронного выпрямления
• Интегрированный усилитель ошибок и источник опорного напряжения с отклонением менее 1%
• Программируемый диапазон частот: от 50 кГц до 600 кГц
• Предел импульса рабочего цикла 85%
• Программируемый плавный пуск и плавный пуск от предварительно заряженной нагрузки
• Защитные функции, такие как короткое замыкание, выходное перенапряжение и защита от перегрева
• Широкий диапазон напряжения питания контроллера V_DD2: до 36 В
• Энергосберегающий режим при малых нагрузках (LLM), устанавливается по выводу MODE
• Циклическая защита от перегрузки по току на входе

• Точность срабатывания защиты UVLO с гистерезисом
• Синхронизация частоты
• Исполнение: 16-ти выводной SOIC W и 24-х выводной LGA

Литература:
1. LT8301 42V_IN Micropower No-Opto Isolated Flyback Converter with 65V/1.2A Switch // https://www.analog.com/en/products/lt8301.html
2. ADP1071-1/ADP1071-2 Isolated Synchronous Flyback Controller with Integrated iCouplerData Sheet // https://www.analog.com/en/products/adp1071-2.html
3. Рентюк В. Практические вопросы применения ИМС изолированного интерфейса в части выполнения требования по электромагнитной совместимости // Компоненты и технологии. №3. 2015.
4. Иоффе Д., Романов О. Изолирующие микросхемы на основе технологии iCoupler фирмы Analog Devices // Компоненты и технологии. №7. 2006.
5. Analog Devices' Integrated, Isolated Power Controller Series Reduces Design Complexity and Improves System Reliability // https://www.businesswire.com/news/home/20170323005123/en/Analog-Devices%E2%80%99-Integrated-Isolated-Power-Controller-Series
6. Dostal Frederik. Flyback Converters Without Optocouplers: Existing Options // https://www.analog.com/en/technical-articles/flyback-converters-without-optocouplers-existing-options.html
7. ADP1071-1EVALZ User Guide UG-1384. Evaluating the ADP1071-1 Isolated Synchronous Flyback Controller with Integrated iCoupler // https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/EVAL-ADP1071-2.html
8. ADP1071-2EBZ3.3V User Guide UG-1117. Evaluating the ADP1071-2 Isolated Synchronous Flyback Controller // https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/ADP1071-2EBZ3.3V.pdf
9. ADP1071-2EBZ12.1V User Guide UG-1129. Isolated Synchronous Flyback Controller with Integrated iCoupler // https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/ADP1071-2EBZ12.1V.pdf
10. Duan Jason. Isolation in Power Supply. Analog Devices, Inc. Mar. 2018 // https://www.psma.com/sites/default/files/uploads/tech-forums-safety-compliance/presentations/is091-isolation-power-supply.pdf