隔離型反激式轉(zhuǎn)換器免光耦合器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

在隔離型DC/DC應(yīng)用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年，然而，它們卻未必是設(shè)計(jì)人員的首選。電源設(shè)計(jì)師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因?yàn)樗鼈兛山档驮O(shè)計(jì)難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實(shí)乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)的原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問(wèn)題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會(huì)使該問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)，而由于可供選擇的市售變壓器品種有限且有可能需要定制變壓器，所以導(dǎo)致此項(xiàng)設(shè)計(jì)工作變得愈發(fā)復(fù)雜。不過(guò)，凌力爾特公司近期發(fā)布的LT3748隔離型反激式控制器解決了此類反激式設(shè)計(jì)的諸多難題。

　　新型反激式IC簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)

　　首先，LT3748免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時(shí)保持了主端與副端之間的隔離(只有一部分必須橫跨隔離勢(shì)壘)。LT3748運(yùn)用了一種主端檢測(cè)方案，該方案能通過(guò)反激式變壓器主端開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來(lái)檢測(cè)輸出電壓。在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間，輸出二極管負(fù)責(zé)向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT3748 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個(gè)線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及一個(gè) 2% 至 100% 的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 ±5% 的總調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。

　　圖 1：采用主端輸出電壓檢測(cè)的 LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器

　　LT3748 可接受一個(gè) 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至 IC，而無(wú)需使用一個(gè)串聯(lián)降壓電阻器。由于具有高電壓板上 LDO 并采用 MSOP-16 封裝 (去掉了 4 個(gè)引腳以實(shí)現(xiàn)額外的高壓引腳間隔)，因此該器件能在高輸入電壓條件下可靠運(yùn)作。另外，這款器件的板上柵極驅(qū)動(dòng)器可為一個(gè)外部 NPN 電源開(kāi)關(guān)供電，使得它能夠提供高達(dá) 50W 左右的功率 (其最大輸出功率取決于外部組件選擇、輸入電壓范圍和輸出電壓)。

　　此外，LT3748 所運(yùn)用的邊界模式操作進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開(kāi)關(guān)，并在開(kāi)關(guān)電流達(dá)到預(yù)定電流限值時(shí)關(guān)斷。于是，它始終工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 的轉(zhuǎn)換之時(shí)，這通常被稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。該器件的其他特點(diǎn)包括可編程軟起動(dòng)、可調(diào)電流限值、欠壓閉鎖和溫度補(bǔ)償。輸出電壓由變壓器匝數(shù)比以及兩個(gè)與 RFB 和 RREF 引腳相連的外部電阻器設(shè)定。

　　主端輸出電壓檢測(cè)

　　隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測(cè)通常需要一個(gè)光耦合器和副端基準(zhǔn)電壓。光耦合器用于通過(guò)光鏈路來(lái)傳送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)保持隔離勢(shì)壘。然而，光耦合器傳輸比會(huì)隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準(zhǔn)確度下降。光耦合器還引入了一個(gè)傳播延遲，進(jìn)而導(dǎo)致較慢的瞬態(tài)響應(yīng) (因部件的不同可能是非線性的)，這還會(huì)造成一款設(shè)計(jì)在不同的電路中表現(xiàn)出不同的特性。也可以采用一種使用附加變壓器繞組 (用于實(shí)現(xiàn)電壓反饋) 的反激式設(shè)計(jì)，以代替光耦合器對(duì)反饋環(huán)路實(shí)施補(bǔ)償。然而，這個(gè)附加的變壓器繞組會(huì)增加變壓器的尺寸和成本。

　　LT3748 通過(guò)檢測(cè)變壓器主端上的輸出電壓免除了增設(shè)一個(gè)光耦合器或附加變壓器繞組的需要。如圖2所示，輸出電壓可在功率晶體管關(guān)斷期間的主端開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)確地測(cè)量，其中的N為變壓器的匝數(shù)比，VIN為輸入電壓，而VC為最大箝位電壓。

　　圖 2：典型的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形 [!--empirenews.page--]

　　邊界模式操作縮減轉(zhuǎn)換器尺寸并改善調(diào)節(jié)性能

　　邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開(kāi)關(guān)方案。當(dāng)內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)接通時(shí)，變壓器電流增加，直至達(dá)到其預(yù)設(shè)電流限值設(shè)定點(diǎn)為止。SW引腳上的電壓上升至“輸出電壓/變壓器副端-主端匝數(shù)比” + “輸入電壓”。當(dāng)流過(guò)二極管的副端電流減小至零時(shí)，SW引腳電壓下降至低于VIN。內(nèi)部DCM比較器檢測(cè)到這一情況并重新接通開(kāi)關(guān)，從而重復(fù)該循環(huán)。

　　邊界模式在每個(gè)周期的末端使副端電流歸零，因而使得寄生阻性壓降不會(huì)引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。此外，主端反激式開(kāi)關(guān)始終在零電流時(shí)接通，而且輸出二極管沒(méi)有反向恢復(fù)損耗。功率損失的這種減少使得反激式轉(zhuǎn)換器能夠在一個(gè)較高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)作，這反過(guò)來(lái)又縮減了變壓器的尺寸(相比于較低頻率的替代設(shè)計(jì)方案)。圖3顯示出了SW電壓和電流以及輸出二極管中的電流。

　　圖 3：邊界模式中的反激式轉(zhuǎn)換器波形

　　由于始終在二極管電流零交叉點(diǎn)上進(jìn)行反射輸出電壓的采樣，因此負(fù)載調(diào)節(jié)性能在邊界模式操作中得到了大幅度的改善。LT3748通?？商峁?plusmn;3%的負(fù)載調(diào)節(jié)。

　　變壓器的選擇和設(shè)計(jì)考慮因素

　　就LT3748的成功應(yīng)用而言，變壓器的規(guī)格和設(shè)計(jì)可能是最為關(guān)鍵的部分了。除了處理高頻隔離型電源變壓器設(shè)計(jì)的常見(jiàn)注意事項(xiàng)(實(shí)現(xiàn)低漏電感和緊密耦合)之外，還必須嚴(yán)格控制變壓器的匝數(shù)比。由于變壓器副端上的電壓是由主端上的采樣電壓推知的，因此必須嚴(yán)格控制匝數(shù)比以確保獲得一致的輸出電壓。各變壓器之間±5%的匝數(shù)比容差有可能在輸出電壓中產(chǎn)生超過(guò)±5%的變化。幸運(yùn)的是，大多數(shù)磁性元件制造商都能夠保證±1%或更好的匝數(shù)比容差指標(biāo)。

　　凌力爾特公司與主要的磁性元件制造商進(jìn)行了合作，以生產(chǎn)供LT3748使用的預(yù)設(shè)計(jì)型反激式變壓器。這些變壓器一般能夠承受1500VAC的主端至副端擊穿電壓(持續(xù)時(shí)間為一分鐘)。也可以使用擊穿電壓更高的變壓器和定制變壓器。

　　另外，凌力爾特還提供了名為“LTspice”的免費(fèi)仿真軟件。

　　變壓器漏電感

　　在電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后，變壓器主端或副端上的漏電感會(huì)在主端上引發(fā)一個(gè)電壓尖峰。在必須消耗更多儲(chǔ)能的較高負(fù)載電流條件下，該電壓尖峰將變得愈發(fā)突出。通過(guò)變壓器繞組的緊密耦合可以最大限度地減小漏電感，并可通過(guò)讀出一個(gè)變壓器繞組上的電感(使其他繞組短路)來(lái)測(cè)量漏電感。

　　下面圖4中示出的簡(jiǎn)單RCD(電阻器、電容器和二極管)箝位電路可防止漏電感尖峰超過(guò)功率器件的擊穿電壓。所有的LT3748應(yīng)用電路中都包括此電路，而肖特基二極管則因其快速接通時(shí)間而常常成為吸振器的最佳選擇。

　　圖 4：RCD 箝位電路

　　圖 5：LT3748 應(yīng)用電路的照片 (尺寸：38mm x 19mm x 9.5mm)

　　圖 5 示出了一款采用LT3748的演示電路板。該電路可接受一個(gè)范圍從22V至75V的輸入電壓，并在高達(dá)2.5A的電流條件下產(chǎn)生一個(gè)隔離型12V輸出。

　　結(jié)論

　　盡管隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)并不簡(jiǎn)單，但是除了采用模塊或復(fù)雜的分立式實(shí)現(xiàn)方案之外，如今我們有了一種替代方案。基于LT3748的電路無(wú)需光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器的附加第三繞組，因而顯著地簡(jiǎn)化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。該器件保持了主端至副端隔離