高性能隔離式電源設(shè)計(jì)方案

背景

對(duì)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(jiǎn)單但相對(duì)昂貴的解決方案。不過，現(xiàn)成有售的設(shè)計(jì)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(jì)。利用分立式 PW 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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)隔離式電源的任務(wù)。因此，設(shè)計(jì)師現(xiàn)在正在考慮，在他們的最終應(yīng)用中，分立式設(shè)計(jì)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?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/轉(zhuǎn)換器">轉(zhuǎn)換器是最簡(jiǎn)單的，但是有源箝位復(fù)位方法引入了性能限制和對(duì)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(qǐng)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(duì)其可靠性的擔(dān)憂。此外，這組非凡的芯片組極大地簡(jiǎn)化了高性能正向轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，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 Liit,這兩項(xiàng)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(shí)現(xiàn)堅(jiān)固和簡(jiǎn)單的自啟動(dòng)隔離式電源。啟動(dòng)后，LTC3765 通過一個(gè)纖巧的脈沖變壓器，從副端 LTC3766 控制器接收定時(shí)信號(hào)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(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行可靠的監(jiān)視和控制，同時(shí)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，并降低了組件數(shù)。圖 1 顯示了一個(gè)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

Tie - 100us/Div:時(shí)間 - 每格 100us

LTC3765 / LTC3766 含有實(shí)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(shí)現(xiàn)了更高的效率 (高達(dá) 95%) 和更高的功率密度。針對(duì)主開關(guān)的大電流柵極驅(qū)動(dòng)器、有源箝位開關(guān)和同步開關(guān)均包括可調(diào)延遲，以實(shí)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 Liit 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(shí)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(diǎn)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(dòng)、面向大功率設(shè)計(jì)的多相工作、過熱保護(hù)和真正的遠(yuǎn)端輸出電壓檢測(cè)。LTC3765 采用耐熱增強(qiáng)型 SOP-16 封裝。LTC3766 采用 4 x 5 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(jí)版本。

Direct Flux Liit

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(duì)稱的磁芯勵(lì)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(gè)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(lì)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(huì)跟不上，從而導(dǎo)致磁芯飽和。當(dāng)變壓器飽和時(shí)，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(jì)”,其中沒有一種方法可以確保磁芯不會(huì)飽和。采用這類方法時(shí)，總是有可能在某些設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)被忽略的運(yùn)行“死角”處發(fā)生變壓器飽和。

LTC3765 和 LTC3766 實(shí)現(xiàn)了一種新的和獨(dú)特的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過直接監(jiān)視變壓器的勵(lì)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 POS 接通時(shí)，通過一個(gè)與該 POS 源極串聯(lián)的檢測(cè)電阻器直接測(cè)量和限制勵(lì)磁電流，如圖 3 所示。

圖 3:監(jiān)視變壓器磁通量密度