反激式轉(zhuǎn)換器簡化隔離式電源設(shè)計

引言

曾經(jīng)需要一個簡單的低功率隔離式內(nèi)務(wù)處理電源、又不想買現(xiàn)成有售的磚或模塊嗎?制造或購買決策取決于很多因素，但是簡單性、解決方案尺寸、價格和性能對于走哪條路有重大影響。包括某些醫(yī)療系統(tǒng)在內(nèi)的幾種類型應(yīng)用需要具備輸入至輸出隔離的電源。

實現(xiàn)與噪聲源電壓的接地分離是需要使用一個隔離式電源 (特別是在醫(yī)療設(shè)備中) 的原因之一。僅以醫(yī)用檢查照相機、牙科器械、睡眠和生命體征監(jiān)測儀等為例，它們都采用了顯示器，而這些顯示器會受到噪聲源電壓的不良影響。隔離式電源可提供接地分離，從而能夠消除導(dǎo)致顯示異常的噪聲。

較大型的醫(yī)療系統(tǒng) (例如: CT 掃描、血氣電解質(zhì)分析儀和一些超聲系統(tǒng)) 由于有多個 PC 電路板用于各種不同的功能，所以一般采用分布式電源架構(gòu)，并且通常向整個系統(tǒng)分配 24V 或 48V 總線電壓。為了提高可靠性并出于安全原因，分布式電源架構(gòu)通常需要對總線到子系統(tǒng)的工作電壓進行隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換。這種類型的總線電壓能提供很大的電流，而且需要隔離以防止在短路故障情況下可能導(dǎo)致的危險。

很多年來，反激式轉(zhuǎn)換器一直廣泛用于隔離式 DC/DC 應(yīng)用。不過，這類轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計師的首選。電源設(shè)計師之所以被迫選擇反激式轉(zhuǎn)換器，是因為需要滿足功率較低的隔離需求，而不是因為這類轉(zhuǎn)換器易于設(shè)計。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點之原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在著穩(wěn)定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題更加復(fù)雜。

此外，使用反激式轉(zhuǎn)換器時，需要花費大量時間來設(shè)計變壓器，而通常現(xiàn)成有售的變壓器可選范圍有限，可能需要定制變壓器，這就使事情更加復(fù)雜了。最近在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域取得的進步已經(jīng)使更低功率的隔離式轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計。凌力爾特公司最近推出的 LT8300 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器就解決了很多這類反激式設(shè)計的問題。

簡單的反激式 IC 設(shè)計

LT8300 免除了增設(shè)光耦合器、副端基準電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時僅用一個電源變壓器就可保持主端和副端隔離，而這電源變壓器必須橫跨隔離勢壘。LT8300 運用了一種主端檢測方案，該方案能通過反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點波形來檢測輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管負責向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT8300 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋方法在整個電壓、負載和溫度范圍內(nèi)，可產(chǎn)生好于 ±5% 的總體穩(wěn)定度。圖 1 顯示了采用 LT8300 和僅 7 個外部組件的反激式轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖 1：具主端輸出電壓檢測的 LT8300 反激式轉(zhuǎn)換器

LT8300 采用小型 5 引線 SOT-23 封裝，接受 5V 至 100V 的輸入電壓，這無需串聯(lián)降壓電阻器就可直接加到該 IC 上。由于有高壓內(nèi)置 LDO，而且 SOT-23 封裝上的引腳 4 和 5 有固有的額外間距，所以該器件能以高輸入電壓可靠地運行。此外，其內(nèi)置的 260mA、150V 內(nèi)部 DMOS 電源開關(guān)允許該器件提供高達約 2W 的輸出功率。

此外，LT8300 在輕負載時以低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，這可將靜態(tài)電流降至僅為 330uA，這種功能延長了休眠模式的電池運行時間。其他特點包括內(nèi)部軟啟動和欠壓閉鎖。變壓器匝數(shù)比和一個外部電阻器就是設(shè)定輸出電壓全部的所需。

主端輸出電壓檢測

隔離式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器和副端參考電壓。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。然而，光耦合器傳輸比隨溫度和老化而改變，從而降低了準確度。不同的光耦合器單元之間還可能是非線性的，這導(dǎo)致不同的電路有不同的增益 / 相位特性。運用一個額外的變壓器繞組實現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計還可以取代光耦合器，用來閉合反饋環(huán)路。不過，這個額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸和成本。

通過檢測變壓器主端上的輸出電壓，LT8300 無需光耦合器或額外的變壓器繞組。當功率晶體管關(guān)斷時，在主端開關(guān)節(jié)點波形上可準確地測量輸出電壓，如圖 2 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 2：典型的開關(guān)節(jié)點波形

邊界模式工作減小了轉(zhuǎn)換器的尺寸并改善穩(wěn)定性

在副端電流降至零時，LT8300 反激式轉(zhuǎn)換器立即接通其內(nèi)部開關(guān)，而當開關(guān)電流達到預(yù)定義的電流限制時，該轉(zhuǎn)換器即關(guān)斷。因此它總是在連續(xù)導(dǎo)通模式與斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 轉(zhuǎn)換時工作，通常這稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。[!--empirenews.page--]

邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方案。當內(nèi)部電源開關(guān)接通時，變壓器電流增加，直至達到其預(yù)設(shè)電流限值設(shè)定點為止。SW 引腳上的電壓上升至“輸出電壓除以變壓器副端-主端匝數(shù)比” + “輸入電壓”。當流過二極管的副端電流減小至零時，SW引腳電壓下降至低于 VIN。內(nèi)部 DCM 比較器檢測到這一情況并重新接通開關(guān)，從而重復(fù)該循環(huán)。

在每個周期結(jié)束時，邊界模式使副端電流返回到零，從而產(chǎn)生了不會引起負載調(diào)節(jié)誤差的寄生電阻壓降。此外，主反激開關(guān)總是在電流為零時接通，而輸出二極管沒有反向恢復(fù)損耗。這種功耗降低允許反激式轉(zhuǎn)換器以相對較高的開關(guān)頻率工作，與更低頻率的可替代設(shè)計相比，這反過來又減小了變壓器尺寸。圖 3 顯示了 SW 電壓和電流以及輸出二極管的電流。

圖 3：在邊界模式工作時的反激式轉(zhuǎn)換器波形

SW VOLTAGE：SW 電壓

SW CURRENT：SW 電流

DIODE CURRENT：二極管電流

以邊界模式工作時，負載調(diào)節(jié)非常好，因為反射的輸出電壓始終在二極管電流過零時采樣。LT8300 一般提供好于 ±2% 的負載調(diào)節(jié)，如圖 4 所示。

圖 4：圖 1 所示原理圖的負載和電壓調(diào)節(jié)曲線

Output Load and Line Regulation：輸出負載和電壓調(diào)節(jié)

OUTPUT VOLTAGE：輸出電壓

LOAD CURRENT：負載電流

變壓器選擇以及設(shè)計時需要考慮的問題

變壓器規(guī)格和設(shè)計也許是成功應(yīng)用 LT8300 最關(guān)鍵的部分。除了低泄漏電感和緊耦合等涉及高頻隔離式電源變壓器設(shè)計的常規(guī)注意事項，變壓器的匝數(shù)比也必須嚴格控制。因為變壓器副端上的電壓是通過在主端采樣所得的電壓推斷的，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(lǐng)先的磁性元件制造商合作，以生產(chǎn)可與 LT8300 一起使用的預(yù)設(shè)計反激式變壓器。表 1 顯示了一部分推薦使用和現(xiàn)成有售的變壓器，這些變壓器分別來自 Wurth Elektronik、Pulse Engineering和 BH Electronics 公司。LT8300 數(shù)據(jù)表中列出了所有推薦使用的變壓器。這些變壓器一般能在持續(xù) 1 分鐘的時間內(nèi)承受 1500VAC 的主端至副端擊穿電壓。還可以使用更高的擊穿電壓和定制變壓器。

表 1：可與 LT8300 一起使用和現(xiàn)成有售的變壓器

電源設(shè)計 power.21ic.com" />

在 www.linear.com.cn/LTspice 下載一個免費的 LTspice 軟件，就可以用表 1 中所列的任何變壓器建立一個 LT8300 電路的模型了。這種仿真產(chǎn)生能夠?qū)崿F(xiàn)的結(jié)果，有助于使這類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計更容易，并可進一步確認轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。該仿真電路包括的信息有：電路如何啟動;就不同輸入電壓而言，電路對負載步進的反應(yīng)。要進行修改以及查看對電路性能的影響都很容易。

結(jié)論

在醫(yī)療系統(tǒng)中，可以運用電源隔離來擺脫有噪聲的電源電壓，在分布式電源架構(gòu)中也需要電源隔離，以實現(xiàn)安全工作?；?LT8300 的電路無需光耦合器、副端參考電壓以及無需電源變壓器額外提供第三個繞組，因而簡化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。這款器件僅用一個跨隔離勢壘的組件，就保持了主端至副端隔離。可方便地買到現(xiàn)成有售的變壓器，并不需要定制變壓器。LT8300 在 5V 至 100V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，提供高達 2W 的輸出功率，從而使其非常適用于種類繁多的醫(yī)療、工業(yè)、電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。