減少了組件數(shù)量的隔離式正向 DC/DC 轉換器

引言

過去 25 年，高密度隔離式 DC/DC 電源轉換器已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。全磚和半磚 DC/DC 轉換器最初推出時，用戶和電源公司都非常振奮。這類磚式 DC/DC 轉換器納入了數(shù)百個組件，非常容易使用，因而用戶不必再自行設計。這類器件適用于電信應用，電信應用中的 –48V 輸入需要隔離輸入和輸出，因為總線電壓提供很大的功率。此外，這類轉換器可在數(shù)據(jù)通信和工業(yè)系統(tǒng)中作為分布式電源架構的起點。與此同時，一些公司爭先恐后地進入了這一市場，追趕著這一領域的領導者。很多電源公司在過去幾年中也在努力開發(fā)，以向市場推出新產(chǎn)品，這些公司設計了自己獨有的磁性組件、拓撲以及控制電路， 一直在努力超越以前的版本和同類產(chǎn)品。大多數(shù)產(chǎn)品的占板面積都相同，不過有些公司也開發(fā)了尺寸和引腳數(shù)不同的產(chǎn)品，并已獲得專利。目前，這類器件的占板面積已經(jīng)多樣化，包括 1/4、1/8 和 1/16 磚。

然而，隨著專門針對應用拓撲的 DC/DC 控制器的推出，加之 Würth、Pulse Engineering、Coiltronics 等公司提供的現(xiàn)成有售平面電源變壓器和電感器，產(chǎn)生自己的特有設計變得容易多了。事實上，一個隔離反激式轉換器的設計可以用不到 15 個組件完成，而一個隔離式正向轉換器的設計僅需不到 20 個組件。在這種可采用特定于應用的控制器和單片式器件的新時代，設計師有可能以不同方式開發(fā)隔離式 DC/DC 轉換器。MOSFET 切換性能、VDS 額定值和 RDS(ON) 的改進也有助于更方便地完成分立式設計。此外，有些設計在反饋回路中也不再需要用光耦合器調(diào)節(jié)輸出電壓了。

不僅是必須滿足 48V 隔離要求的電信和數(shù)據(jù)通信應用，多種 DC/DC 轉換器應用也需要隔離式輸出。對于需要隔離地與有噪聲輸入電壓的噪聲敏感設備，隔離可能是必不可少的，例如汽車電池、中間總線和工業(yè)輸入應用。顯示器、可編程邏輯控制器 (PLC)、GPS 系統(tǒng)以及某些醫(yī)療監(jiān)視設備可能都會受到有噪聲總線電壓的負面影響。體檢影像設備、牙科儀器、睡眠和生命體征監(jiān)視器等都有顯示器，都有可能受到有噪聲電源電壓的負面影響。隔離式電源提供的地隔離可以消除有可能引起顯示異常的噪聲。

一種新的發(fā)展方向

凌力爾特可提供全系列的特定拓撲控制器，這些器件可用于隔離式高密度 DC/DC 轉換器，適合反激式、正向、推挽、全波橋式拓撲，有的版本有同步整流，有的則沒有，有些使用光耦合器，有些則運用變壓器閉合反饋環(huán)路。這些器件有兩種基本的輸入電壓范圍，一種面向工業(yè)市場 (9V 至 32V)，另一種面向電信 / 數(shù)據(jù)通信市場 (36V 至 75V)，還有一些在 18V 至 75V 輸入電壓范圍內(nèi)工作。凌力爾特已經(jīng)針對所有這些拓撲和輸入電壓范圍預制了設計，這些設計的輸出電壓范圍為 1.2V 至 48V。用戶可以獲得演示電路板、電氣原理圖以及用料單和用于 PCB 設計的 Gerbers 文件。《快速入門指南》提供各種性能曲線，包括負載 / 電壓調(diào)節(jié)、紋波和噪聲、效率和瞬態(tài)響應等。

隔離式高密度 DC/DC 轉換器最常采用的拓撲之一是正向轉換器。凌力爾特提供單開關和雙開關正向控制器，這些控制器與主邊和副邊 IC 一起使用，實現(xiàn)對同步 MOSFET 的控制、定時和驅(qū)動。最新控制器 IC 提供了簡單性、高效率和快速瞬態(tài)響應，降壓型轉換器設計師長期以來一直從中受益匪淺，這些控制器 IC 還具備同步整流和多相交錯功率級。不過，這些功能現(xiàn)在也可用于正向轉換器了，不久前推出的 LT8310 就是一個很好的例子，這款器件可用來構成組件數(shù)量較少的應用。實際上，以下圖 1 所示 LT8310 僅用了 20 個外部組件，就組成了一個完整的隔離式正向轉換器，并可提供高達 78W 的輸出功率。

圖 1：LT8310 隔離式正向轉換器僅使用 20 個外部組件就可從 48V 輸入提供 12V/6.5A 輸出

圖 1 所示電路從標稱 48V 輸入在高達 6.5A 產(chǎn)生 12V 輸出，效率為 92%。這款具備諧振復位功能的主邊正向控制器在 6V 至 100V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并針對高達 200W 的功率水平。該器件可用于同步和非同步應用。就同步工作而言，LT8310 通過一個脈沖變壓器向副邊 MOSFET 驅(qū)動器發(fā)送控制信號，以實現(xiàn)同步整流定時。同步設計對于較高功率或較低輸出電壓的應用最有利。無需使用光耦合器就可實現(xiàn) ±8% 的輸出電壓穩(wěn)定度，如圖 2 所示。

圖 2：圖 1 原理圖中 LT8310 的輸出電壓穩(wěn)定度 (VOUT 為 12V)

當使用光耦合器時，可以實現(xiàn) ±1.5% 的穩(wěn)定度?？删幊谭塍槲粸樽儔浩鲝臀惶峁┝吮Ｕ希煞乐癸柡筒⒈Ｗo MOSFET。這個功能允許優(yōu)化變壓器和 MOSFET，從而減小解決方案尺寸，并降低其成本。

無需光耦合器，LT8310 的伏秒箝位就可定義 VOUT，從而簡化了設計，降低了隔離式應用的成本。在有輸出電壓反饋 (光隔離或直接連線) 的應用中，伏秒箝位設定為高于轉換器的自然占空比，以提供安全的占空比范圍，防止變壓器在負載瞬態(tài)時飽和。就非隔離式應用而言，LT8310 提供一個電壓誤差放大器以及具正和負基準的反饋引腳，因此能夠?qū)崿F(xiàn)提供正或負輸出電壓、非常簡單且完全穩(wěn)定的正向轉換器。其他特點包括可編程過流保護、可調(diào)輸入欠壓、過壓閉鎖和內(nèi)置過熱停機功能。LT8310 以 100kHz 至 500kHz 的可編程開關頻率工作，可同步至一個外部時鐘，從而能夠使用多種電感值的輸出電感器和多種尺寸的變壓器。LT8310 采用去掉了幾個引腳的 TSSOP-20 封裝，以提供高壓間隔。

反激式設計

對于甚至在較低功率水平的更簡單隔離式 DC/DC 轉換器解決方案，可以采用反激式拓撲。反激式轉換器多年來一直廣泛用于隔離式 DC/DC 應用，然而這類轉換器未必是設計師的首選。電源設計師通常被迫選擇反激式轉換器，是因為必須滿足較低功率的隔離需求，而不是因為這類轉換器更易于設計。由于眾所周知的控制環(huán)路右半平面零點問題，反激式轉換器存在穩(wěn)定性問題，而光耦合器的老化和增益變化使這個問題進一步復雜化。反激式轉換器需要將大量時間用于變壓器設計，而現(xiàn)成有售變壓器的可選范圍有限，還有可能必須定制變壓器，這又使這種設計任務變得更加復雜了。不過，電源轉換技術領域的最新進步已經(jīng)使得較低功率隔離式轉換更易于設計。例如，凌力爾特不久前推出的 LT8302 隔離反激式轉換器。

首先，LT8302 無需光耦合器和副邊基準電壓，無需電源變壓器額外提供第三個繞組，僅用一個組件，即跨隔離勢壘的電源變壓器，就可以保持主副邊之間的隔離。LT8302 采用主邊檢測方法，這種方法能夠通過反激的主邊開關節(jié)點波形檢測輸出電壓。在開關關斷時，輸出二極管向輸出提供電流，輸出電壓反射回反激變壓器的主邊。開關節(jié)點電壓的幅度是輸入電壓與反射回來的輸出電壓之和，LT8302 能夠重建這一電壓。這種輸出電壓反饋方法能夠在整個電壓、負載和溫度變化范圍內(nèi)產(chǎn)生好于 ±5% 的總體穩(wěn)定度。圖 3 顯示了一個反激式轉換器原理圖，該電路采用 LT8302，且僅使用了 14 個外部組件。

圖 3：具主邊輸出電壓檢測功能的 LT8302 反激式轉換器

LT8302 采用耐熱增強型 SO-8 封裝，接受 2.8V 至 42V 輸入電壓。其堅固的內(nèi)置 3.6A、65V DMOS 電源開關允許該器件提供高達約 18W 的輸出功率。

此外，LT8302 在輕負載時以低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，將靜態(tài)電流降至僅為 106µA，這在備用模式、輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時，延長了電池運行時間。其他特點包括內(nèi)部軟啟動和欠壓閉鎖。變壓器匝數(shù)比和 1 個外部電阻器就是設定輸出電壓所需的全部。

主邊輸出電壓檢測

就隔離式轉換器而言，輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器和副邊參考電壓。光耦合器通過光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號，同時保持隔離勢壘。不過，光耦合器傳輸比隨溫度變化和老化而改變，這會降低其準確度。光耦合器產(chǎn)品之間還可能是非線性的，這導致電路之間的增益/相位特性不同。采用一個額外的變壓器繞組實現(xiàn)電壓反饋的反激式設計也可以用來閉合反饋環(huán)路。但是，這個額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸和成本，而且不能提供很好的輸出電壓調(diào)節(jié)。

LT8302 通過檢測變壓器主端的輸出電壓而無需光耦合器或額外的變壓器繞組。功率晶體管關斷時，在主邊開關節(jié)點波形上可以準確地測量輸出電壓，如圖 4 所示，其中 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 4：LT8302 的典型開關節(jié)點波形

變壓器選擇與設計時須考慮的因素

對于成功應用 LT8302 而言，變壓器性能規(guī)格及設計也許是最關鍵的部分。在設計泄漏電感很低且緊耦合的高頻隔離式電源變壓器時，除了通常列舉的各種注意事項，還必須嚴格控制變壓器匝數(shù)比。因為變壓器副邊電壓是靠主邊采樣電壓推斷的，所以匝數(shù)比必須嚴格控制，以確保一致的輸出電壓。

凌力爾特一直與領先的磁性組件制造商合作，以提供適合與 LT8302 一起使用的預設計反激式變壓器。表 1 列舉了推薦使用 Würth Electronik 公司提供的現(xiàn)成有售變壓器，LT8302 數(shù)據(jù)表中也列出了這些變壓器。這些變壓器主副邊之間一般可在持續(xù) 1 分鐘的時間內(nèi)承受 1500VAC 擊穿電壓。也可使用擊穿電壓更高的變壓器和定制變壓器。

表 1：可與 LT8302 一起使用的現(xiàn)成有售變壓器

結論

由于特定于應用的控制 IC 廣泛可用，因此用戶無需像幾年前那樣需要很長的開發(fā)周期，就可以設計自己的高密度 DC/DC 轉換器。由于能夠設計自己的隔離式電源轉換器，因此用戶能夠全面控制設計流程和組件選擇，從而能夠增加標準產(chǎn)品不可能提供的特定功能，而且用戶還常常能夠?qū)崿F(xiàn)更低的總體成本。隨著特定于拓撲的控制器、現(xiàn)成有售平面磁性組件、特定于應用的電路、演示電路板和有關 Gerber 文件的出現(xiàn)，用戶可獲得全線電源轉換設計，從而更容易設計和開發(fā)他們自己的隔離式 DC/DC 轉換器。