簡(jiǎn)化多輸出隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器

通常情況下，設(shè)計(jì)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到的最大阻礙便是變壓器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者往往因此望而卻步，從而選擇其它更簡(jiǎn)捷的設(shè)計(jì)任務(wù)。利用市售的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器特性，就可以獲得四個(gè)單獨(dú)的隔離直流輸出。實(shí)際上，對(duì)于小功率DC-DC電源轉(zhuǎn)換，柵極驅(qū)動(dòng)變壓器是個(gè)理想的選擇，因?yàn)檫@種變壓器已經(jīng)做了電壓和時(shí)間大乘積(ET或伏特微秒乘積)以及低漏電感的優(yōu)化。

一款高磁導(dǎo)率且在高開(kāi)關(guān)頻率(FSWX)下有低損耗的磁芯可支持一般的10V~15V初級(jí)電壓，且在100kHz~500kHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)有500ns~5μs的典型導(dǎo)通時(shí)間。該電壓和時(shí)間范圍正是DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)所需。同時(shí)，已經(jīng)針對(duì)低泄漏電感選擇了一種磁芯幾何尺寸以及繞組結(jié)構(gòu)，以減少上升和下降時(shí)間，同時(shí)有低的振鈴。最后，所使用的線規(guī)足以讓DC-DC轉(zhuǎn)換器處理數(shù)10mA級(jí)的繞組電流，而沒(méi)有過(guò)多的銅線損耗。

Pulse Electronics公司的P0585柵極驅(qū)動(dòng)變壓器含有五個(gè)繞組，每個(gè)繞組圈數(shù)都相同(參考文獻(xiàn)1)。其中一個(gè)繞組使用三層絕緣線(TIW)，另外四個(gè)繞組使用標(biāo)準(zhǔn)繞組線。TIW繞組作為初級(jí)驅(qū)動(dòng)，可獲得一個(gè)RMS為3kV的標(biāo)稱主次級(jí)擊穿電壓。四個(gè)次級(jí)繞組之間的額定擊穿電壓并未確定，不過(guò)這種導(dǎo)線絕緣方式通常會(huì)用于離線電源情況，此時(shí)，各繞組之間的電壓可高達(dá)400V。

隔離式電源輸出提供了很大的靈活性。使用這種方式可以在不同地電勢(shì)情況下，更加方便地打斷接地環(huán)路，為遠(yuǎn)程電路供電，并且簡(jiǎn)化了對(duì)正負(fù)輸出電壓極性的選擇。下圖展示了這種變壓器的四個(gè)次級(jí)繞組，它們產(chǎn)生四個(gè)獨(dú)立的等電壓輸出。但這四個(gè)次級(jí)繞組可以有多種串/并結(jié)合，從而產(chǎn)生大量輸出電壓/電流的組合。

美信半導(dǎo)體生產(chǎn)的MAX13256H-橋電路變壓器驅(qū)動(dòng)器(IC1)最適合用于此類應(yīng)用。它包含一個(gè)獨(dú)立的變壓器隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器所需要的全部功能。其內(nèi)置FET可承受36V電壓，并配置為兩個(gè)獨(dú)立的推挽式輸出，以精確的50%占空比驅(qū)動(dòng)變壓器的初級(jí)，避免了鐵芯飽和。該驅(qū)動(dòng)器還包含可調(diào)的、強(qiáng)健的內(nèi)部限流功能，從而為輸出提供短路保護(hù)，且在故障排除之后能夠完美地恢復(fù)。該驅(qū)動(dòng)也包含欠壓鎖定(UVLO)功能，在輸入電壓過(guò)低時(shí)阻止開(kāi)關(guān)活動(dòng)。

增加的凌力爾特公司LTC6900時(shí)鐘源(IC2)用于精確地調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率。MAX13256本身有一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，但是考慮到整個(gè)系統(tǒng)的兼容性或EMI原因，大多數(shù)用戶可能會(huì)更傾向于自己設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率。MAX13256支持使用一個(gè)外部TTL電平時(shí)鐘，而且其UVLO特性確保IC1的VIN極上升到導(dǎo)通閾值前，IC2就上電并運(yùn)行。RSET的值決定了IC2的輸出頻率，該頻率設(shè)定為所需IC1開(kāi)關(guān)頻率的兩倍。

上表中為開(kāi)關(guān)頻率為100kHz和500kHz時(shí)，輸入電壓為10V、12V和15V情況下的測(cè)量結(jié)果。由于采用高開(kāi)關(guān)頻率、低漏電電感及肖特基橋式整流器，即使用了低值(1μF)的表面安裝陶瓷輸出電容，輸出電壓的紋波也很小，不到20mV峰峰值。表中還給出了效率，以及因輸出未穩(wěn)壓而造成輸出電壓與負(fù)載電流之間的變動(dòng)關(guān)系。如果需要更低的噪聲或者嚴(yán)格穩(wěn)定的直流輸出，可以使用線性穩(wěn)壓器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

從這些測(cè)量結(jié)果可看出，滿載是產(chǎn)生500mA峰值初電流時(shí)的負(fù)載。這是當(dāng)RLIM為1kΩ時(shí)的MAX13256最小限流閾值。一些設(shè)計(jì)者可能想在低于這些經(jīng)驗(yàn)性的滿載電流水平上進(jìn)行操作，從而獲得更多裕度，以防止虛假的大電流觸發(fā)。在較高開(kāi)關(guān)頻率下可以看到輕載輸出電壓的提升，原因是：這是一種為求簡(jiǎn)捷和高效而使用了較少阻尼器的設(shè)計(jì)。隨著開(kāi)關(guān)頻率升高，產(chǎn)生了更多的漏電感能量，這些能量傳遞到次級(jí)繞組，提高了所測(cè)得的輸出電壓。

以下為檢驗(yàn)該變壓器運(yùn)行參數(shù)是否符合數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范的簡(jiǎn)要說(shuō)明。P0585變壓器有一個(gè)95Vμsec最大ET乘積。這個(gè)計(jì)算結(jié)果是初級(jí)繞組上施加的最大電壓與該電壓所持續(xù)最大時(shí)間(導(dǎo)通時(shí)間)的乘積。由于MAX13256是以精確的50%占空比驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)，最大ET乘積將出現(xiàn)在輸入電壓為15V時(shí)。在本設(shè)計(jì)中的100kHz最小開(kāi)關(guān)頻率下，最長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間為5μs，所以最大ET乘積為75Vμsec，該值符合數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范。

峰值磁通密度規(guī)格為2100G。在計(jì)算峰值磁通，數(shù)據(jù)手冊(cè)中的方程式2A和2B均基于VIN和開(kāi)關(guān)頻率。同樣，峰值磁通密度出現(xiàn)于VIN為15V且開(kāi)關(guān)頻率為100kHz時(shí)。注意在方程式2A中，“DON”為50%占空比或0.5，而不是單位為微秒的時(shí)間。在這些情況下，所計(jì)算的峰值磁通密度為1512高斯，符合數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格。

運(yùn)用變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式可計(jì)算出磁芯損耗。在100kHz時(shí)，損耗為0.468W，在500kHz時(shí)，損耗為0.117W，后者數(shù)值較小，原因是有較低的ET積。

運(yùn)用變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的公式可算出銅線損耗為93.75mW。這個(gè)計(jì)算銅線損耗的簡(jiǎn)化公式是基于繞組的I2R損耗，而未考慮繞組的趨膚或接近效應(yīng)。因此，這些簡(jiǎn)化結(jié)果與頻率無(wú)關(guān)，而是基于初級(jí)繞組中的±500mA峰值電流，以及四個(gè)次級(jí)繞組中各自的±125mA峰值電流。

使用變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的升溫公式以及上述計(jì)算的總損耗(100kHz下為561.75mW)，可得預(yù)期變壓器的溫升為37.2℃。

本設(shè)計(jì)使用P0585柵極驅(qū)動(dòng)變壓器，您也可以使用其他(更小的)市售柵極驅(qū)動(dòng)變壓器，尤其是需要較少電壓輸出，以及較小電流的時(shí)候。只需要確保您參照本設(shè)計(jì)所述方法檢查了變壓器的最大Vμsec規(guī)范。