低功率反激式轉換器不再需要光耦合器

　　多種 DC/DC 轉換器應用都需要隔離式輸出，而不僅是電信和數(shù)據(jù)通信應用有 48V 隔離要求。對于那些需要針對噪聲輸入電壓 (例如：汽車電池、中間總線和工業(yè)輸入) 的接地隔離之噪聲敏感型器件而言，隔離可以說是必不可少的。顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統(tǒng)和一些醫(yī)療監(jiān)視設備可能都會受到帶噪聲的總線電壓的負面影響。

　　反激式轉換器廣泛用于隔離式 DC/DC 應用，但是反激式轉換器未必是設計師的首選。電源設計師勉強選擇反激式轉換器的原因是，不得不滿足較低功率的隔離要求，而不是因為反激式轉換器更易于設計。反激式轉換器需要將大量時間用在變壓器的設計上，而現(xiàn)成有售的變壓器通常可選范圍有限，而且有可能需要定制變壓器，這使變壓器設計這個任務進一步復雜化了。此外，反激式轉換器還存在穩(wěn)定性問題 (由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點所致)，而光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化將使該問題進一步地復雜化。凌力爾特公司推出的 LT3574 隔離式單片反激式轉換器就解決了很多這類反激式轉換器的設計難題。

　　首先，LT3574 無需光耦合器、外部 MOSFET 和副端基準電壓，也無需電源變壓器額外提供第三個繞組，同時僅用一個必須跨隔離勢壘的組件，就能保持主端和副端隔離。LT3574 有一個內置 0.65A、60V NPN 電源開關，可從一個范圍為 3V 至 40V 的輸入電壓提供高達 3W 的輸出功率，并采用了一個能通過主端反激開關節(jié)點波形檢測輸出電壓的主端檢測電路。在開關關斷時，輸出二極管向輸出提供電流，輸出電壓反射到反激式變壓器的主端。開關節(jié)點電壓的幅度是輸入電壓和反射的輸出電壓之和，LT3574 能重建該開關節(jié)點電壓。在整個線電壓輸入范圍、整個溫度范圍以及 2% 至 100% 的負載范圍內，這種輸出電壓反饋方法可產生好于 ±5% 的總調節(jié)誤差。圖 1 顯示了一個利用 LT3574 實現(xiàn)反激式轉換器的原理圖。

　　圖 1：采用主端輸出電壓檢測的反激式轉換器

　　LT3574 運用邊界模式工作進一步簡化了系統(tǒng)設計，減小了轉換器尺寸并改進了負載調節(jié)。LT3574 反激式轉換器在副端電流降至零時，立即接通內部開關，而當開關電流達到預定義的電流限制時，則斷開。因此，該器件工作時，總是處于連續(xù)傳導模式 (CCM) 和斷續(xù)傳導模式 (DCM) 的轉換之中，這種工作方式常稱為邊界模式或關鍵傳導模式。其他特點包括可編程軟啟動、可調電流限制、欠壓閉鎖和溫度補償。變壓器匝數(shù)比和兩個連接到 RFB 及 RREF 引腳的外部電阻器設定輸出電壓。LT3574 所采用的是 MSOP-16 封裝。

　　主端輸出電壓檢測

　　隔離式轉換器的輸出電壓檢測通常需要光耦合器和副端基準電壓。光耦合器通過光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號，同時維持隔離勢壘。不過，光耦合器的傳輸比隨溫度和老化而變化，從而降低了準確度。光耦合器還引入傳輸延遲，從而導致較慢的瞬態(tài)響應，而不同器件的瞬態(tài)響應之間有可能呈非線性，這還可能導致一個設計在不同的電路實現(xiàn)中顯示不同的特性。運用額外的變壓器繞組而不是光耦合器實現(xiàn)電壓反饋的反激式設計還可以用來閉合反饋環(huán)路。不過，這種額外的變壓器繞組可能增大變壓器的尺寸和成本。

　　LT3574 在變壓器的主端檢測輸出電壓，因而無需光耦合器或額外的變壓器繞組。如圖 2所示，當功率晶體管關斷時，在主端開關節(jié)點波形處可以準確測量輸出電壓，其中 N 是變壓器的匝數(shù)比，VIN 是輸入電壓，VC 是最大箝位電壓。

　　圖 2：典型的開關節(jié)點波形

　　以邊界模式工作可減小轉換器尺寸并改進調節(jié)

　　邊界模式控制采用的是可變頻率電流模式開關電路。當內部電源開關接通時，變壓器電流增大，直至達到預置電流限制的設定點為止。SW 引腳上的電壓上升至：輸出電壓除以副端至主端變壓器匝數(shù)比 + 輸入電壓。當通過二極管的副端電流降至零時，SW 引腳電壓降至低于VIN 。內部 DCM 比較器檢測這個事件，并再次接通開關，重復這個周期。

　　在每個周期的末端，邊界模式工作使副端電流回到零，引起寄生電阻壓降，但不引起負載調節(jié)誤差。此外，主端反激開關總是在零電流時接通，輸出二極管沒有反向恢復損耗。這種功耗的減少使得反激式轉換器能夠在一個相對較高的開關頻率下運作，這反過來又縮減了變壓器的尺寸 (相比于較低頻率的替代設計方案)。圖 3 顯示 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。

　　圖 3：邊界模式工作時反激式轉換器波形

　　SW 電壓

　　SW 電流

　　二極管電流

　　由于反射輸出電壓始終在二極管電流零交叉點進行采樣，因此在邊界模式操作中負載調節(jié)性能大為改善。LT3574 一般提供 ±3% 的負載調節(jié)。

　　變壓器選擇與設計考慮

　　變壓器規(guī)格和設計也許是成功應用 LT3574 最關鍵的部分。凌力爾特公司已經與領先磁性組件制造商合作，以生產預設計的反激變壓器，LT3574 數(shù)據(jù)表中給出了這些變壓器的完整列表。表 1 顯示了推薦使用的現(xiàn)成有售變壓器的節(jié)略列表，這些變壓器分別由 Wurth Electronik、Pulse Engineering 和 BH Electronics公司提供。這些變壓器從主端到副端一般能承受 1500VAC 的擊穿電壓長達 1 分鐘。也可以使用較高擊穿電壓的變壓器和定制變壓器。

　　表 1：用于 LT3574 的現(xiàn)成有售的變壓器

　　凌力爾特公司免費提供仿真軟件 LTspice，該軟件可從 www.linear.com.cn 網站下載。LT3574 可以利用表 1 所列的任何變壓器建模，所建立的模型能產生非常逼真的仿真效果，可幫助減輕設計這類轉換器的負擔。電路仿真包括有關以下問題的信息：電路如何啟動、在不同輸入電壓時電路對負載階躍的反應，并顯示在變化條件下，共模電流怎樣流動。更改設計很容易，也很容易看到更改對電路性能的影響。

　　變壓器匝數(shù)比

　　在選擇變壓器匝數(shù)比以適合任何給定應用時，通過用 RFB/RREF 電阻器比值設定輸出電壓，用戶擁有相對的自由。一般情況下，變壓器匝數(shù)比的選擇原則是，最大限度地提高可用輸出功率。就低輸出電壓 (3.3V 或 5V) 而言，N : 1 的匝數(shù)比可用于多個主端繞組相對于副端繞組的情況，以最大限度地提高變壓器的電流增益和輸出功率。不過，SW 引腳上的電壓等于最大輸入電源電壓 + 輸出電壓乘以匝數(shù)比。該電壓需要保持低于 SW 引腳的 ABS MAX 額定值，以防止內部電源開關擊穿。就給定應用而言，這些條件合起來限定了匝數(shù)比 (N) 的上限，即匝數(shù)比需要滿足以下不等式：

　　其中 VF 是輸出二極管壓降，VOUT 是輸出電壓。

　　就較大的N : 1 值而言，需要具較大物理尺寸的變壓器，以提供額外的電流，并提供足夠大的電感，從而確保斷開時間足夠長，以準確測量輸出電壓。

　　就較低的輸出功率值而言，可選擇 1 : 1 或 1 : N 變壓器，以實現(xiàn)絕對最小的變壓器尺寸。采用一個匝數(shù)比為 1 : N 的變壓器將最大限度地減小變壓器的尺寸和磁化電感，但也會限制可用的輸出功率。一個較高的 1 : N 匝數(shù)比使得能夠提供非常高的輸出電壓，而不會超過內部電源開關的擊穿電壓。

　　變壓器的漏電感

　　變壓器主或副端的漏電感導致電源開關關閉后在主端出現(xiàn)電壓尖峰。該尖峰在較大負載電流時更顯著，因為在較大負載電流時，必須釋放更多所儲存的能量。利用變壓器繞組的緊密耦合可以最大限度地減小漏電感，并可通過讀取一個變壓器繞組上的電感 (而其他的繞組短路) 來測量漏電感。

　　下面圖 4 所示的簡單 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電源電路的擊穿電壓。該電路包含在所有 LT3574 應用電路中，而且肖特基二極管往往憑借其快速接通時間而成為吸振器的最佳選擇。

　　圖 4：RCD 箝位電路

　　演示電路

　　采用 LT3574 的演示電路板如圖 5 所示。該電路接受范圍從 10V 至 30V 的輸入電壓，在電流高達 0.5A 時產生隔離的 5V 輸出。

　　圖 5：LT3574 應用電路照片 (尺寸：31mm x 15mm x 6.5mm)

　　結論

　　基于 LT3574 的電路由于無需光耦合器、外部 MOSFET、副端基準電壓、以及無需電源變壓器提供額外的第三個繞組，因此極大地簡化了隔離式反激 DC/DC 轉換器的設計。該器件僅用一個跨隔離勢壘的組件，就能保持主端至副端隔離。LT3574 在 3V 至 40V 輸入電壓范圍內工作，能提供高達 3W 的連續(xù)輸出功率，非常適合多種應用?？墒褂矛F(xiàn)成有售的變壓器，因此無需定制變壓器。很多應用都需要隔離式轉換器，而不僅是電信應用有隔離要求。就 GPS 系統(tǒng)、顯示器、可編程邏輯控制器、醫(yī)療監(jiān)視設備等噪聲敏感應用而言，與總線電壓隔離是必須的。