減少了組件數(shù)量的隔離式正向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

引言

過(guò)去 25 年，高密度隔離式 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。全磚和半磚 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最初推出時(shí)，用戶和電源公司都非常振奮。這類磚式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器納入了數(shù)百個(gè)組件，非常容易使用，因而用戶不必再自行設(shè)計(jì)。這類器件適用于電信應(yīng)用，電信應(yīng)用中的 –48V 輸入需要隔離輸入和輸出，因?yàn)榭偩€電壓提供很大的功率。此外，這類轉(zhuǎn)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(gòu)的起點(diǎn)。與此同時(shí)，一些公司爭(zhēng)先恐后地進(jìn)入了這一市場(chǎng)，追趕著這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。很多電源公司在過(guò)去幾年中也在努力開(kāi)發(fā)，以向市場(chǎng)推出新產(chǎn)品，這些公司設(shè)計(jì)了自己獨(dú)有的磁性組件、拓?fù)湟约翱刂齐娐罚? 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(guò)有些公司也開(kāi)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(mén)針對(duì)應(yīng)用拓?fù)涞?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(shè)計(jì)變得容易多了。事實(shí)上，一個(gè)隔離反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)可以用不到 15 個(gè)組件完成，而一個(gè)隔離式正向轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)僅需不到 20 個(gè)組件。在這種可采用特定于應(yīng)用的控制器和單片式器件的新時(shí)代，設(shè)計(jì)師有可能以不同方式開(kāi)發(fā)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。MOSFET 切換性能、VDS 額定值和 RDS(ON) 的改進(jìn)也有助于更方便地完成分立式設(shè)計(jì)。此外，有些設(shè)計(jì)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(yīng)用，多種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用也需要隔離式輸出。對(duì)于需要隔離地與有噪聲輸入電壓的噪聲敏感設(shè)備，隔離可能是必不可少的，例如汽車(chē)電池、中間總線和工業(yè)輸入應(yīng)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(shè)備可能都會(huì)受到有噪聲總線電壓的負(fù)面影響。體檢影像設(shè)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(fù)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?fù)淇刂破?，這些器件可用于隔離式高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，適合反激式、正向、推挽、全波橋式拓?fù)?，有的版本有同步整流，有的則沒(méi)有，有些使用光耦合器，有些則運(yùn)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(chǎng) (9V 至 32V)，另一種面向電信 / 數(shù)據(jù)通信市場(chǎng) (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(duì)所有這些拓?fù)浜洼斎腚妷悍秶A(yù)制了設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的 Gerbers 文件?！犊焖偃腴T(mén)指南》提供各種性能曲線，包括負(fù)載 / 電壓調(diào)節(jié)、紋波和噪聲、效率和瞬態(tài)響應(yīng)等。

隔離式高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最常采用的拓?fù)渲皇钦蜣D(zhuǎn)換器。凌力爾特提供單開(kāi)關(guān)和雙開(kāi)關(guān)正向控制器，這些控制器與主邊和副邊 IC 一起使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)同步 MOSFET 的控制、定時(shí)和驅(qū)動(dòng)。最新控制器 IC 提供了簡(jiǎn)單性、高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)，降壓型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師長(zhǎng)期以來(lái)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(cuò)功率級(jí)。不過(guò)，這些功能現(xiàn)在也可用于正向轉(zhuǎn)換器了，不久前推出的 LT8310 就是一個(gè)很好的例子，這款器件可用來(lái)構(gòu)成組件數(shù)量較少的應(yīng)用。實(shí)際上，以下圖 1 所示 LT8310 僅用了 20 個(gè)外部組件，就組成了一個(gè)完整的隔離式正向轉(zhuǎn)換器，并可提供高達(dá) 78W 的輸出功率。

圖 1：LT8310 隔離式正向轉(zhuǎn)換器僅使用 20 個(gè)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(biāo)稱 48V 輸入在高達(dá) 6.5A 產(chǎn)生 12V 輸出，效率為 92%。這款具備諧振復(fù)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(duì)高達(dá) 200W 的功率水平。該器件可用于同步和非同步應(yīng)用。就同步工作而言，LT8310 通過(guò)一個(gè)脈沖變壓器向副邊 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)同步整流定時(shí)。同步設(shè)計(jì)對(duì)于較高功率或較低輸出電壓的應(yīng)用最有利。無(wú)需使用光耦合器就可實(shí)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(dāng)使用光耦合器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn) ±1.5% 的穩(wěn)定度?？删幊谭塍槲粸樽儔浩鲝?fù)位提供了保障，可防止飽和并保護(hù) MOSFET。這個(gè)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(wú)需光耦合器，LT8310 的伏秒箝位就可定義 VOUT，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了隔離式應(yīng)用的成本。在有輸出電壓反饋 (光隔離或直接連線) 的應(yīng)用中，伏秒箝位設(shè)定為高于轉(zhuǎn)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(fù)載瞬態(tài)時(shí)飽和。就非隔離式應(yīng)用而言，LT8310 提供一個(gè)電壓誤差放大器以及具正和負(fù)基準(zhǔn)的反饋引腳，因此能夠?qū)崿F(xiàn)提供正或負(fù)輸出電壓、非常簡(jiǎn)單且完全穩(wěn)定的正向轉(zhuǎn)換器。其他特點(diǎn)包括可編程過(guò)流保護(hù)、可調(diào)輸入欠壓、過(guò)壓閉鎖和內(nèi)置過(guò)熱停機(jī)功能。LT8310 以 100kHz 至 500kHz 的可編程開(kāi)關(guān)頻率工作，可同步至一個(gè)外部時(shí)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(gè)引腳的 TSSOP-20 封裝，以提供高壓間隔。

反激式設(shè)計(jì)

對(duì)于甚至在較低功率水平的更簡(jiǎn)單隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案，可以采用反激式拓?fù)?。反激式轉(zhuǎn)換器多年來(lái)一直廣泛用于隔離式 DC/DC 應(yīng)用，然而這類轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計(jì)師的首選。電源設(shè)計(jì)師通常被迫選擇反激式轉(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)。由于眾所周知的控制環(huán)路右半平面零點(diǎn)問(wèn)題，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問(wèn)題，而光耦合器的老化和增益變化使這個(gè)問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。反激式轉(zhuǎn)換器需要將大量時(shí)間用于變壓器設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)任務(wù)變得更加復(fù)雜了。不過(guò)，電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)步已經(jīng)使得較低功率隔離式轉(zhuǎn)換更易于設(shè)計(jì)。例如，凌力爾特不久前推出的 LT8302 隔離反激式轉(zhuǎn)換器。

首先，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，僅用一個(gè)組件，即跨隔離勢(shì)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(cè)方法，這種方法能夠通過(guò)反激的主邊開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形檢測(cè)輸出電壓。在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，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(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的幅度是輸入電壓與反射回來(lái)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(gè)電壓、負(fù)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(gè)反激式轉(zhuǎn)換器原理圖，該電路采用 LT8302，且僅使用了 14 個(gè)外部組件。

圖 3：具主邊輸出電壓檢測(cè)功能的 LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器

LT8302 采用耐熱增強(qiáng)型 SO-8 封裝，接受 2.8V 至 42V 輸入電壓。其堅(jiān)固的內(nèi)置 3.6A、65V DMOS 電源開(kāi)關(guān)允許該器件提供高達(dá)約 18W 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®) 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(shí)，延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部軟啟動(dòng)和欠壓閉鎖。變壓器匝數(shù)比和 1 個(gè)外部電阻器就是設(shè)定輸出電壓所需的全部。

主邊輸出電壓檢測(cè)

就隔離式轉(zhuǎn)換器而言，輸出電壓檢測(cè)通常需要一個(gè)光耦合器和副邊參考電壓。光耦合器通過(guò)光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)保持隔離勢(shì)壘。不過(guò)，光耦合器傳輸比隨溫度變化和老化而改變，這會(huì)降低其準(zhǔn)確度。光耦合器產(chǎn)品之間還可能是非線性的，這導(dǎo)致電路之間的增益/相位特性不同。采用一個(gè)額外的變壓器繞組實(shí)現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計(jì)也可以用來(lái)閉合反饋環(huán)路。但是，這個(gè)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(guò)檢測(cè)變壓器主端的輸出電壓而無(wú)需光耦合器或額外的變壓器繞組。功率晶體管關(guān)斷時(shí)，在主邊開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上可以準(zhǔn)確地測(cè)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(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

變壓器選擇與設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的因素

對(duì)于成功應(yīng)用 LT8302 而言，變壓器性能規(guī)格及設(shè)計(jì)也許是最關(guān)鍵的部分。在設(shè)計(jì)泄漏電感很低且緊耦合的高頻隔離式電源變壓器時(shí)，除了通常列舉的各種注意事項(xiàng)，還必須嚴(yán)格控制變壓器匝數(shù)比。因?yàn)樽儔浩鞲边呺妷菏强恐鬟叢蓸与妷和茢嗟?，所以匝?shù)比必須嚴(yán)格控制，以確保一致的輸出電壓。

凌力爾特一直與領(lǐng)先的磁性組件制造商合作，以提供適合與 LT8302 一起使用的預(yù)設(shè)計(jì)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(shí)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(jié)論

由于特定于應(yīng)用的控制 IC 廣泛可用，因此用戶無(wú)需像幾年前那樣需要很長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，就可以設(shè)計(jì)自己的高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。由于能夠設(shè)計(jì)自己的隔離式電源轉(zhuǎn)換器，因此用戶能夠全面控制設(shè)計(jì)流程和組件選擇，從而能夠增加標(biāo)準(zhǔn)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?fù)涞目刂破?、現(xiàn)成有售平面磁性組件、特定于應(yīng)用的電路、演示電路板和有關(guān) Gerber 文件的出現(xiàn)，用戶可獲得全線電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，從而更容易設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)他們自己的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。