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新型DCDC降压恒压浮地架构解析

 浮地架构的定义与原理

浮地架构是一种将电路参考地与公共地(如大地)进行电气隔离的设计方法,其核心特点是电路内部形成一个独立的"虚拟地"参考点,而非直接连接到系统地或大地。这种架构通过电气隔离技术阻断共模干扰传导路径,特别适合于高压输入、高频开关或需要防止漏电流的应用场景。

浮地架构中,芯片的功率电路部分与控制电路部分之间实现了电气隔离:

功率电路(高压侧)直接处理输入电压和大电流控制电路;(低压侧)通过自举电路从输入端获取工作电压。

两部分之间通过信号隔离器(如TL431或光耦)传递控制信号;采样反馈电路采用差分或高共模抑制比(CMRR)设计,避免地环路干扰常规的浮地架构都需要通过隔离器件实现,下面讲解一种新的架构,不需要隔离器件也实现了浮地。以一款国产电源芯片OC5806为例,耐压做到了150V,根据芯片的原理图对其新型架构的工作原理进行分析

      图1 厂家提供的芯片外围电路

 

如图1,这个外围电路是有一点点复杂的,但是除了电感L以外,其他器件都是尺寸很小的电阻电容和二极管,因此电路板不会做得很大。

结合芯片内部模块进行分析

图2 芯片总体工作原理图展示

首先是功率电路部分,如图3和图4所示。该芯片的功率电路拓扑结构是一个经典的buck结构。在开关管T1导通(图3)和关断(图4)时,功率电路中的电流流动方向分别如图中绿色箭头所示。

图3 开关管导通时,功率电路的电流流动方向

图4 开关管关断时,功率电路的电流流动方向

值得注意的是,在开关管T1关断后,电路中维持续流、或者说充当了电源器件的是电感L1,于是此时图中β点的电压是要高于α点的电压的(把L1想象成一个左负右正的电池)。这个特点是后续芯片能够持续获得供电,以及能够处理较高供电电压的重要条件。

首先是芯片刚刚上电的时候,此时由于开关管还没导通,右侧的所有电路对地电压都是0,芯片通过一个较大的电阻R2从电源输入取电,逐渐给C2充电。为了防止大电压直接击穿芯片,R2的阻值是较大的,所以充电速度会相对比较慢,随着C2的电压提升,芯片逐渐上电。

图5 刚刚通电时芯片的供电回路

当C2电压足够后,芯片内的LDO开始正常工作,输出一个稳定的电压到芯片内各个子模块。这个LDO需要外接一个稳压电容C3,用于减小电源电压波动。注意,一般这种芯片外接电容的引脚仅仅是用于外接电容实现稳压,不应该用于向外输出功率。

 而当芯片正常工作以后,开关管断开时,由于β点电压高于α点,而α点是芯片自己的“地”,所以会出现一个从β点出发,沿着图6中黄色箭头,经过D2给C2充电的电流。而这个充电过程是随着开关管的开闭,每个开关周期发生一次的,因此D2也要求是一个快速通断的肖特基管,只不过由于这个充电电流相对是很小的,所以D2不需要像D1一样具有很高的通流能力,因此可以选用更小的封装。

图6 利用电感续流时的电压差给芯片供电

到这里可以看出,这颗芯片的GND脚并不是连接在功率电路的负极(地、零伏)上。这颗芯片之所以能够耐较高的输入电压,其实是因为它两端的电压差并不高,它的GND被抬升到了与电源正输入差不了几伏的高度。这是一种非常有趣(鸡贼)的做法。

 最后是芯片的两个传感反馈回路,如图7所示。其中R1是一颗阻值很小的采样电阻,它与电感、负载串在一起,用于检测负载上的电流是否超出额定值。本质上所有的采样电阻测电流都是在测电压,这里测量R1两端电压之所以只需要连接一个接口,是因为R1的右端就是芯片的GND。

最后是输出电压的反馈,这一部分功能由Ra、Rb、Rc、Rd四个电阻和芯片内的运放来实现。这里可以看出,四个电阻分别对称地连接在了一对差分臂上,因此一般使用时,要保证Ra和Rd相等、Rb和Rc相等。于是两对差分输出信号的差值就是:

由于两个反馈电压进入芯片后,会做差再与0.397V的基准电压进行比较(虽然芯片原理图上写的是0.38V,但是手册表格里和文字描述中是0.397V,以表格为准) 。这个比较是在运放中完成的,考虑这里有反馈,因此运用运放虚短,两个反馈电压的电压差UFB1-UFB2即0.397V。

 

因此,输出电压Uout满足公式:

最后讲下这种架构的优势:典型应用场景:

高压电池组供电的电动车(如电动汽车、电动自行车、电瓶车)

工业控制系统(如PLC、传感器供电)

宽电压输入设备(如车载充电器、户外电源)

高频开关电源(如LED驱动电源、通信设备电源)

性能特点:

输入电压范围宽(8V-150V),适合电池电压波动大的场景支持恒压(CV)和恒流(CC)双模式,

输出电压可调范围4.2V-30V

效率高达96%,工作频率140kHz,轻载时自动降低频率以优化效率

内置过温保护、软启动、输出短路保护等多重保护功能

应用优势:

完全隔离高压侧与低压侧,防止漏电流和共模干扰

适合高噪声环境下的精密信号处理

在电池亏电和满电情况下均能稳定工作

通过自举电路实现高压直接驱动,简化外围设计

浮地架构优势场景:

高压输入(>100V)应用,如电动汽车电池组供电场景,

对地环路干扰敏感需要高精度反馈和抗干扰能力的精密电源系统

对漏电流敏感的应用,如医疗设备电源注:以上内容绝大部分参考和援引自 @WenhanZhou 的博客

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