一種易于建立的高性能、高可靠性隔離式電源

背景

對于高效率地將配電總線電壓轉(zhuǎn)換成隔離式低電壓，預(yù)制的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和模塊提供了一種簡單但相對昂貴的解決方案。不過，現(xiàn)成有售的設(shè)計可能無法提供全部所需功能，因此在很多應(yīng)用中，需要定制設(shè)計。利用分立式 PWM 控制器開發(fā)自己的解決方案，成本低廉得多，而且能靈活地滿足各種苛刻的要求，例如特殊的外形尺寸或非標(biāo)準(zhǔn)輸入及輸出電壓等。

最近在控制器技術(shù)領(lǐng)域取得的進(jìn)步可提供更多功能，這些進(jìn)步也簡化了設(shè)計隔離式電源的任務(wù)。因此，設(shè)計師現(xiàn)在正在考慮，在他們的最終應(yīng)用中，分立式設(shè)計是否有意義。尤其是具備有源箝位復(fù)位的正向轉(zhuǎn)換器，由于其卓越的效率和更低的組件壓力，已經(jīng)廣泛用于定制電源中。盡管在隔離式降壓型拓?fù)渲?，正向轉(zhuǎn)換器是最簡單的，但是有源箝位復(fù)位方法引入了性能限制和對潛在的可靠性問題的擔(dān)憂，這些擔(dān)憂限制了正向轉(zhuǎn)換器的使用范圍。

凌力爾特公司的第二代 LTC3765 / LTC3766 芯片組采用一種正在申請專利的方法，消除了具備有源箝位復(fù)位的正向轉(zhuǎn)換器之性能限制以及對其可靠性的擔(dān)憂。此外，這組非凡的芯片組極大地簡化了高性能正向轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，從而使這類轉(zhuǎn)換器易于建立，并成為富有吸引力和可替代預(yù)制解決方案的產(chǎn)品。

LTC3765 / LTC3766 芯片組

LTC3765 和 LTC3766 相結(jié)合可構(gòu)成一組隔離式同步正向轉(zhuǎn)換器芯片組，該芯片組包括有源箝位變壓器復(fù)位和 Direct Flux Limit,這兩項功能在所有條件下都能防止電源變壓器飽和。LTC3765 是一款主端智能控制器，與 LTC3766 一起工作，可實現(xiàn)堅固和簡單的自啟動隔離式電源。啟動后，LTC3765 通過一個纖巧的脈沖變壓器，從副端 LTC3766 控制器接收定時信號和偏置電源。這種副端控制方法使智能能力靠近負(fù)載，從而確保對輸出電壓和電流進(jìn)行可靠的監(jiān)視和控制，同時提供最快的瞬態(tài)響應(yīng)。此外，這種架構(gòu)無需光隔離器或偏置電源，簡化了設(shè)計，并降低了組件數(shù)。圖 1 顯示了一個典型的應(yīng)用原理圖，圖 2 顯示了相關(guān)的瞬態(tài)響應(yīng)和效率 / 功耗曲線。

圖 1:LTC3765 / LTC3766 應(yīng)用電路，VIN 范圍：18V 至 72V、 VOUT:12V/11A,12.5A 峰值

圖 2:典型的 LTC3765 / LTC3766 相關(guān)效率 / 功耗曲線和瞬態(tài)響應(yīng)

EFFICIENCY:效率

POWER DISSIPATION:功耗

條件：48VIN,6A 至 12A 階躍

5A/Div:每格 5A

Time - 100us/Div:時間 - 每格 100us

LTC3765 / LTC3766 含有實現(xiàn)有源箝位變壓器復(fù)位方法所必需的所有控制電路，從而與傳統(tǒng)箝位繞組或諧振復(fù)位方法相比，實現(xiàn)了更高的效率 (高達(dá) 95%) 和更高的功率密度。針對主開關(guān)的大電流柵極驅(qū)動器、有源箝位開關(guān)和同步開關(guān)均包括可調(diào)延遲，以實現(xiàn)最高效率。不過，在傳統(tǒng)的有源箝位正向轉(zhuǎn)換器中，在開關(guān)占空比中有任何突然的變化都能引起電源變壓器飽和，從而有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障。Direct Flux Limit 在所有條件下都能防止變壓器飽和，因此提高了轉(zhuǎn)換器的總體可靠性，同時與可替換解決方案相比，保持了卓越的瞬態(tài)響應(yīng)。

其他特點包括快速和準(zhǔn)確的平均電流限制、在 75kHz 至 500kHz 范圍內(nèi)以可調(diào)固定頻率工作、能進(jìn)入預(yù)偏置負(fù)載的干凈啟動、面向大功率設(shè)計的多相工作、過熱保護(hù)和真正的遠(yuǎn)端輸出電壓檢測。LTC3765 采用耐熱增強(qiáng)型 MSOP-16 封裝。LTC3766 采用 4mm x 5mm QFN-28 和 SSOP-28 封裝，而且兩款器件都有擴(kuò)展、工業(yè)、高溫和軍用級版本。

Direct Flux Limit

為了正確工作，在任何變壓器中保持伏-秒平衡都是必要的。在轉(zhuǎn)換器接通和斷開期間，必須加上相等的正和負(fù)伏-秒。任何不平衡都將導(dǎo)致通常是對稱的磁芯勵磁電流和通量密度向飽和方向“走”.在轉(zhuǎn)換器斷開期間，有源箝位轉(zhuǎn)換器運(yùn)用一個額外的開關(guān)和電容器來加上復(fù)位電壓。這種方法產(chǎn)生了最低開關(guān)電壓和最高效率。變壓器用自己的勵磁電流給復(fù)位電容器充電或放電，使其達(dá)到正確的電壓，該電壓隨占空比的變化而改變。在穩(wěn)定狀態(tài)下，這種方法可以很好地起作用，但是，如果占空比變化太快，那么電容器的電壓就會跟不上，從而導(dǎo)致磁芯飽和。當(dāng)變壓器飽和時，就像是發(fā)生了短路，這可能損壞任何電源組件。

直到現(xiàn)在，這一基本問題一直是采用間接方法解決的，即采用慢速反饋環(huán)路、占空比限制、軟停止和其他“權(quán)宜之計”,其中沒有一種方法可以確保磁芯不會飽和。采用這類方法時，總是有可能在某些設(shè)計和測試時被忽略的運(yùn)行“死角”處發(fā)生變壓器飽和。

LTC3765 和 LTC3766 實現(xiàn)了一種新的和獨特的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過直接監(jiān)視變壓器的勵磁電流，限制磁通量在變壓器磁芯中的積累。在復(fù)位周期中，當(dāng)有源箝位 PMOS 接通時，通過一個與該 PMOS 源極串聯(lián)的檢測電阻器直接測量和限制勵磁電流，如圖 3 所示。[!--empirenews.page--]

圖 3:監(jiān)視變壓器磁通量密度

MAIN TRANSFORMER:主變壓器

PRIMARY SWITCH NMOS: NMOS 主開關(guān)

ACTIVE CLAMP PMOS:有源箝位 PMOS

當(dāng) PMOS 斷開且 NMOS 主開關(guān)接通時，LTC3765 基于在 RUN 引腳上檢測到的輸入電壓以及由 RCORE 與地之間的電阻器定制的變壓器磁芯參數(shù)，在內(nèi)部產(chǎn)生一個準(zhǔn)確的勵磁電流副本。然后在接通時，由這個準(zhǔn)確的內(nèi)部副本限制該勵磁電流。與以前的方法不同，Direct Flux Limit 直接監(jiān)視所積累的磁通量，并在提供最快的瞬態(tài)響應(yīng)的同時，確保變壓器不會飽和。這種方法還允許轉(zhuǎn)換器干凈啟動，進(jìn)入預(yù)偏置輸出 (例如電池充電器)，并在出現(xiàn)瞬間電壓差后重新啟動 (無盲區(qū)軟停止)。

自啟動

LTC3766 與 LTC3765 一起使用，以運(yùn)用副端控制建立一個自啟動正向轉(zhuǎn)換器。因為最初在副端沒有偏置電壓可用，所以 LTC3765 必須在主端以開環(huán)方式管理啟動。當(dāng)在主端首次加電時，LTC3765 運(yùn)用其自己內(nèi)部的振蕩器開始開環(huán)軟啟動。通過運(yùn)用從 0% 到 70% 逐漸增大的占空比來開關(guān)主端的主 MOSFET,以向副端供電，該占空比是由 SSFLT 引腳電壓的上升速率控制的。在副端，偏置電壓可以直接從主輸出得到，或者通過峰值充電或其他簡單電路從變壓器副端得到。當(dāng) LTC3766 有足夠的電壓來滿足其啟動要求時，該器件就通過一個纖巧的脈沖變壓器向 LTC3765 提供占空比信息。

LTC3765 檢測這個信號，并將對柵極驅(qū)動器的控制任務(wù)轉(zhuǎn)交給 LTC3766,而 LTC3766 則繼續(xù)進(jìn)行輸出電壓的軟啟動。典型情況下，當(dāng)輸出電壓小于其最終值一半時，發(fā)生這種從主端到副端的切換。之后，LTC3765 斷開線性穩(wěn)壓器，并通過一個內(nèi)置整流器，從脈沖變壓器處為主端 MOSFET 取得偏置電源。

運(yùn)行控制和軟啟動

LTC3766 的接通 / 斷開主控制功能由 RUN 引腳完成。該引腳具備精確的門限，且該門限具備內(nèi)部和外部可調(diào)遲滯。這個引腳可用來監(jiān)視副端偏置電壓或主輸出電壓，因此可控制在哪一點上進(jìn)行從主端到副端的切換?；蛘撸撘_還可以直接由控制信號驅(qū)動。

當(dāng) RUN 引腳為高電平、在 VIN 和 VCC 引腳上有足夠的電壓以及在 SW 引腳上檢測到開關(guān)動作時，LTC3766 就開始順序軟啟動。請注意，LTC3766 在啟動順序軟啟動之前，必須在 SW 引腳上檢測到開關(guān)動作，以確保 LTC3765 已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行控制任務(wù)的切換。順序軟啟動開始時，首先測量 FB 引腳上的電壓，然后將軟啟動電容器電壓快速預(yù)設(shè)定為與輸出電壓相同。這么做是為了在控制任務(wù)從主端轉(zhuǎn)移至副端時，輸出電壓平滑地斜坡上升，并避免任何不必要的啟動延遲。一旦軟啟動電容器上的電壓達(dá)到合適的值，LTC3766 就通過脈沖變壓器發(fā)出一個簡短的脈沖序列，以鎖定與 LTC3765 之間的通信。從這一點開始，LTC3766 承擔(dān)主端 MOSFET 的控制任務(wù)，同時軟啟動電容器仍繼續(xù)充電至滿電壓。請注意，軟啟動電壓用來限制誤差放大器基準(zhǔn)的有效值。在副端軟啟動間隔期間，這種方法保持對輸出電壓的閉環(huán)控制。

電流限制和其他保護(hù)功能

在大多數(shù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，都會提供電流限制，以在輸出過載情況下保護(hù)電源組件。通常情況下，這種電流限制不是很準(zhǔn)確，而且最大輸出電流變化可能超過輸入和輸出電壓變化的 50%.當(dāng)需要準(zhǔn)確的電流限制時 (例如在電池充電應(yīng)用中)，常常使用一個單獨的放大器來建立慢速反饋環(huán)路，以在預(yù)定最大值附近調(diào)節(jié)電流。因為這個環(huán)路是慢速的，以確保穩(wěn)定性，所以該環(huán)路還允許瞬間流過非常大的輸出電流，而在有些系統(tǒng)中，這也許是不可接受的。

LTC3766 實現(xiàn)了一種獨特的平均電流限制電路，該電路快速、準(zhǔn)確且易于使用。該電路不是使用一個慢速電流限制放大器，而是監(jiān)視輸入和輸出電流以及輸出電壓或電源電壓，并進(jìn)行快速和逐周期的糾正，以保持平均輸出電流實質(zhì)上是恒定的。圖 4 說明了 LTC3765 / LTC3766 應(yīng)用電路處于電流限制狀態(tài)下的典型性能。請注意，這種電流限制能力非常適用于電池充電應(yīng)用。

圖 4:典型的電流限制性能

OUTPUT VOLTAGE:輸出電壓

LOAD CURRENT:負(fù)載電流

除了 Direct Flux Limit 和平均電流限制，LTC3765 / LTC3766 芯片組還提供多種額外的保護(hù)功能。這些功能包括：面向同步開關(guān)的可調(diào)反向電流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)和過熱保護(hù)，這些保護(hù)功能相結(jié)合，即使在最嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境中，也可確保電源的可靠性和堅固性。

結(jié)論

最近在技術(shù)、設(shè)計簡化、仿真、成本節(jié)省以及對組件采購的全面控制方面均取得了進(jìn)步，因此隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器用戶正在放棄現(xiàn)成有售的磚式設(shè)計。LTC3756 和 LTC3766 組合起來形成了一個相對簡單的有源箝位隔離型正激式轉(zhuǎn)換器，其具有直接磁通變壓器限制功能，能可靠地保護(hù)轉(zhuǎn)換器并實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng);同時與可替代解決方案相比，還減少了組件數(shù)。無論設(shè)計定制電源是為了滿足特定尺寸、輸入和輸出要求，還是為了達(dá)到成本目標(biāo)，這個非凡的芯片組都為高可靠性應(yīng)用提供了全新的簡單性、很少的組件數(shù)和前所未有的靈活性。最后，這兩款器件非常易于用來建立解決方案。