隔離型內(nèi)務(wù)處理反激式轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)

引言

設(shè)計(jì)師常常需要低功率隔離式內(nèi)務(wù)處理電源，有一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案而不必購(gòu)買電源磚或模塊，是很好的事。然而，你不想花費(fèi)很多時(shí)間弄懂它，而且需要這種解決方案易于用方便買到的現(xiàn)成有售變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)。是制作還是購(gòu)買，取決于很多因素，但是簡(jiǎn)單性、性能和靈活性對(duì)于做出哪種選擇影響很大。

很多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用都需要隔離輸出，而不僅是有 48V 隔離要求的電信和數(shù)據(jù)通信。對(duì)于需要隔離地與有噪聲輸入電壓的噪聲敏感設(shè)備，隔離是必須的，例如汽車電池、中間總線和工業(yè)輸入。顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統(tǒng)以及一些醫(yī)療監(jiān)視設(shè)備都可能受到噪聲總線電壓的負(fù)面影響。醫(yī)學(xué)檢查攝像頭、牙科設(shè)備、以及睡眠與關(guān)鍵體征監(jiān)視器等都使用顯示器，這些顯示器都可能受到噪聲電源電壓的負(fù)面影響。隔離式電源提供地隔離，可以消除可能導(dǎo)致顯示器異常的噪聲。

多年來(lái)，反激式轉(zhuǎn)換器一直廣泛地用于隔離式 DC/DC 應(yīng)用。但是這類轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計(jì)師的首選。電源設(shè)計(jì)師被迫選擇反激式轉(zhuǎn)換器是因?yàn)楸仨殱M足較低功率的隔離需求，而不是因?yàn)檫@類轉(zhuǎn)換器更易于設(shè)計(jì)。由于大家熟知的控制環(huán)路中右半平面零點(diǎn)問(wèn)題，反激式轉(zhuǎn)換器有穩(wěn)定性問(wèn)題，而光耦合器的傳播延遲、老化及增益變化會(huì)使這一問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。

此外，使用反激式轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要在變壓器設(shè)計(jì)上花費(fèi)大量時(shí)間，而通常現(xiàn)成有售變壓器的選擇很有限，而且可能需要定制變壓器，這使變壓器設(shè)計(jì)這一任務(wù)變得更加復(fù)雜了。由于電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，較低功率隔離式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)現(xiàn)在容易多了。凌力爾特公司不久前推出了 LT8302 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器，解決了很多這類反激式設(shè)計(jì)難題。

簡(jiǎn)單的反激式 IC 設(shè)計(jì)

LT8302 無(wú)需光耦合器和副邊基準(zhǔn)電壓，無(wú)需電源變壓器額外提供第三個(gè)繞組，同時(shí)僅用一個(gè)組件 (必須跨隔離勢(shì)壘的電源變壓器)，就可保持主邊和副邊隔離。LT8302 采用主邊檢測(cè)電路，該電路能夠通過(guò)反激的主邊開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形檢測(cè)輸出電壓。在開關(guān)斷開時(shí)，輸出二極管向輸出提供電流，輸出電壓返射至反激式變壓器的主邊。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的幅度是輸入電壓和返射的輸出電壓之和，LT8302 能夠重建該輸出電壓。在整個(gè)電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)，這種輸出電壓反饋方法實(shí)現(xiàn)了好于 ±5% 的總體穩(wěn)定度。圖 1 顯示了采用 LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器的原理圖，該電路僅采用了 14 個(gè)外部組件。

圖 1：具主邊輸出電壓檢測(cè)的 LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器

LT8302 采用 8 引線耐熱性能增強(qiáng)型 SO-8 封裝，接受 2.8V 至 42V 的輸入電壓。其堅(jiān)固的內(nèi)置 3.6A、65V 內(nèi)部 DMOS 功率開關(guān)允許該器件提供高達(dá) 18W 左右的輸出功率。

此外，LT8302 在輕負(fù)載時(shí)以低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 運(yùn)行，將靜態(tài)電流降至僅為 106µA，這在保持輸出電壓穩(wěn)定的同時(shí)，延長(zhǎng)了休眠模式的電池運(yùn)行時(shí)間。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部軟啟動(dòng)和欠壓閉鎖。設(shè)定輸出電壓時(shí)，僅需要調(diào)節(jié)變壓器的匝數(shù)比和 1 個(gè)外部電阻器。

主邊輸出電壓檢測(cè)

隔離式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測(cè)通常需要一個(gè)光耦合器和副邊基準(zhǔn)電壓。光耦合器通過(guò)光鏈路傳送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)保持隔離勢(shì)壘。然而，光耦合器傳輸比隨溫度變化和老化程度而改變，從而降低了準(zhǔn)確度。光耦合器之間還有可能是非線性的，這導(dǎo)致電路之間不同的增益 / 相位特性。額外采用一個(gè)變壓器繞組實(shí)現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計(jì)還可能被用來(lái)閉合反饋環(huán)路。然而，這個(gè)額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸并增加了變壓器成本，而且不能提供非常好的輸出電壓穩(wěn)定度。

LT8302 在變壓器主邊檢測(cè)輸出電壓，因此無(wú)需光耦合器或額外的變壓器繞組。在圖 2 所示的功率晶體管斷開時(shí)，可在主邊開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)確測(cè)量輸出電壓，圖中 N 是變壓器的匝數(shù)比，VIN 是輸入電壓，VC 是最高箝位電壓。

圖 2：典型開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

邊界模式工作減小轉(zhuǎn)換器尺寸并改善調(diào)節(jié)性

副邊電流降至零時(shí)，LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器立即接通其內(nèi)部開關(guān)，而當(dāng)開關(guān)電流達(dá)到預(yù)設(shè)定的電流限制時(shí)，則斷開該開關(guān)。因此，該器件始終在連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)導(dǎo)通模式之間轉(zhuǎn)換，這種方式常稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。

邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方法。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時(shí)，變壓器電流上升，直至達(dá)到其當(dāng)前電流限制設(shè)定點(diǎn)為止。SW 引腳上的電壓上升至輸出電壓除以副-主變壓器匝數(shù)比再加上輸入電壓之和。當(dāng)通過(guò)二極管的副邊電流降至零時(shí)，SW 引腳電壓降至低于 VIN。LT8302 檢測(cè)這一事件，并重新接通開關(guān)，再次重復(fù)上述周期。

邊界模式在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)，使副邊電流返回到零，所引起的寄生電阻性電壓降不引起負(fù)載調(diào)節(jié)性誤差。此外，主邊反激開關(guān)在電流為零時(shí)始終接通，輸出二極管沒(méi)有反向恢復(fù)損耗。這種功耗降低使反激式轉(zhuǎn)換器能夠以相對(duì)較高的開關(guān)頻率運(yùn)行，這與其他較低頻率的設(shè)計(jì)相比，可減小變壓器尺寸。圖 3 顯示了 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。

圖 3：邊界模式反激式轉(zhuǎn)換器波形

由于返射的輸出電壓始終在二極管電流過(guò)零時(shí)采樣，所以 LT8302 負(fù)載調(diào)節(jié)非常出色，而且一般在整個(gè)輸出負(fù)載范圍內(nèi)好于 ±1%，如圖 4 所示。

圖 4：圖 1 原理圖的負(fù)載與電壓調(diào)節(jié)曲線

變壓器選擇與設(shè)計(jì)時(shí)的考慮因素

變壓器性能規(guī)格與設(shè)計(jì)也許是成功應(yīng)用 LT8302 最關(guān)鍵的部分。應(yīng)對(duì)高頻隔離式電源變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，除了通常的注意事項(xiàng)，例如低泄漏電感和緊耦合，變壓器匝數(shù)比也必須嚴(yán)格控制。既然變壓器副邊電壓是靠主邊采樣電壓推斷，那么匝數(shù)比必須嚴(yán)格控制以確保一致的輸出電壓。

凌力爾特已經(jīng)與領(lǐng)先磁性組件制造商合作，以生產(chǎn)為與 LT8302 一起使用而預(yù)設(shè)計(jì)的反激式變壓器。表 1 顯示了建議使用和 Wurth Electronik 公司提供的現(xiàn)成有售變壓器。這些變壓器一般能承受從主邊到副邊 1500VAC 擊穿電壓一分鐘。也可以使用更高擊穿電壓的變壓器和定制變壓器。

表 1：可用于 LT8302 的現(xiàn)成有售變壓器

通過(guò)在 www.linear.com.cn/LTspice 上免費(fèi)下載一份 LTspice 軟件，就可以用表 1 所列任何變壓器設(shè)計(jì) LT8302 電路。這種仿真設(shè)計(jì)產(chǎn)生逼真的結(jié)果，以幫助進(jìn)一步減輕這類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，并確認(rèn)其設(shè)計(jì)。該仿真電路包含以下信息：電路如何啟動(dòng);針對(duì)不同輸入電壓，電路對(duì)負(fù)載步進(jìn)如何響應(yīng)。用這種仿真電路，很容易做出修改，并看到修改對(duì)電路性能產(chǎn)生的影響。

結(jié)論

很多電源應(yīng)用都需要隔離輸出，而且隔離輸出常常是為需要地與帶噪聲輸入電壓隔離的噪聲敏感設(shè)備而實(shí)現(xiàn)?；?LT8302 的電路無(wú)需光耦合器和副邊基準(zhǔn)電壓，無(wú)需電源變壓器額外提供第三個(gè)繞組，就可簡(jiǎn)化隔離反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。該器件僅用一個(gè)跨隔離勢(shì)壘的器件，就可保持主邊和副邊隔離。由于有容易買到的現(xiàn)成有售變壓器，所以不需要定制變壓器，而且出色的負(fù)載調(diào)節(jié)使該器件適合多種應(yīng)用。因此，隔離反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)現(xiàn)在對(duì)工程師而言，已經(jīng)變得很簡(jiǎn)單了。