Гальванически изолированные источники питания используются во многих приложениях по разным причинам. В некоторых схемах гальваническая развязка делается из соображений безопасности. В других случаях функциональная изоляция используется для защиты сигнальных цепей от любых помех.
Гальванически изолированные источники питания обычно основаны на обратноходовых преобразователях. Эти регуляторы имеют очень простую конструкцию.
Типичная схема такого регулятора с контроллером обратноходового преобразователя ADP1071 показана на Рисунке 1. Мы видим, что это обратноходовой преобразователь, поскольку точки, обозначающие полярность обмоток трансформатора, не совпадают. Используется силовой ключ первичной стороны (Q1). Кроме того, на вторичной стороне нужна выпрямительная схема. Она может быть сделана на диодах Шоттки, но для лучшего КПД обычно используется активный коммутатор (Q2 на Рисунке 1). Управление коммутаторами и гальваническая развязка цепи обратной связи FB обеспечиваются соответствующим контроллером, в данном случае – микросхемой ADP1071.
 | ||
| Рисунок 1. | Показан типичный обратноходовой регулятор (обратноходовой преобразователь), способный работать при уровнях мощности примерно до 60 Вт. | |
Хотя обратноходовые преобразователи очень популярны, эта топология имеет практические ограничения. Трансформатор T1 на Рисунке 1 фактически не используется как классический трансформатор. Когда транзистор Q1 открыт, ток через вторичную обмотку T1 не течет. Энергия тока первичной стороны почти полностью сохраняется в сердечнике трансформатора.
Обратноходовой преобразователь накапливает энергию в трансформаторе подобно тому, как понижающий преобразователь накапливает ее в дросселе (индуктивности). Когда Q1 находится в выключенном состоянии, на вторичной стороне трансформатора T1 возникает ток. Он питает энергией выходной конденсатор COUT и выход схемы. Такая концепция очень проста в реализации, но ей присущи ограничения при более высокой мощности.
Трансформатор Т1 используется как элемент накопления энергии. По этой причине трансформатор также можно назвать связанными индуктивностями (дросселями). Для этого требуется, чтобы трансформатор мог накапливать необходимое количество энергии. Чем выше класс энергопотребления источника питания, тем крупнее и дороже трансформатор. В большинстве приложений верхний предел составляет примерно 60 Вт.
Если гальваническая развязка требуется для источника питания большей мощности, подходящим выбором будет прямоходовой преобразователь (Рисунок 2). Здесь трансформатор действительно используется именно как классический трансформатор. В то время, когда на первичной стороне через транзистор Q1 течет ток, на вторичной стороне также возникает ток. Таким образом, казалось бы, трансформатор не должен выполнять функцию накопления какой-либо энергии. На самом деле, однако, это не так. Необходимо следить за тем, чтобы трансформатор всегда полностью «разряжался» во время выключенного состояния Q1, иначе после нескольких циклов он может достичь насыщения.
При той же мощности прямоходовому преобразователю нужен трансформатор меньшего размера, чем требуется для обратноходового преобразователя. Это делает прямоходовой преобразователь практичным и разумным для использования даже при уровнях мощности ниже 60 Вт. Одним из недостатков является то, что сердечник трансформатора в каждом цикле должен освобождаться от непреднамеренно накопленной энергии, что реализуется с помощью активного ограничителя, который на Рисунке 2 выполнен на ключе Q4 и конденсаторе CC. Кроме того, прямоходовому преобразователю обычно требуется дополнительный дроссель L1 на вторичной стороне. Однако благодаря этому выходное напряжение может также иметь более низкие пульсации, чем у обратноходового преобразователя при том же уровне мощности.
 | ||
| Рисунок 2. | Максимальная мощность, при которой может работать этот прямоходовой регулятор (прямоходовой преобразователь), составляет примерно 200 Вт. | |
Для разработки прямоходового преобразователя можно использовать микросхемы управления питанием, например, ADP1074. Эта архитектура обычно используется тогда, когда требуемые уровни мощности превышают примерно 60 Вт. При мощности менее 60 Вт прямоходовой преобразователь также может быть лучшим выбором, чем обратноходовой преобразователь, из-за сложности схемы и достижимого КПД. Чтобы упростить принятие решения о выборе используемой топологии, рекомендуется моделирование с помощью бесплатного симулятора LTspice. На Рисунке 3 показана схема прямоходового преобразователя на основе ADP1074, смоделированная в среде LTspice.
 | ||
| Рисунок 3. | Пример схемы с контроллером ADP1074, смоделированной в LTspice. | |