小型、簡(jiǎn)單和易用的隔離型反激式轉(zhuǎn)換器

引言

曾經(jīng)需要一個(gè)簡(jiǎn)單的低功率隔離式內(nèi)務(wù)處理電源、又不想購(gòu)買現(xiàn)成有售的磚型電源或模塊嗎? 制作或采購(gòu)決策取決于許多因素，但是簡(jiǎn)單性、解決方案尺寸、成本和性能對(duì)于走哪一條路具有重大影響。

實(shí)現(xiàn)與噪聲源電壓的接地分離是需要使用一個(gè)隔離式電源的原因之一。僅以醫(yī)學(xué)檢查照相機(jī)、牙科器械、睡眠和生命體征監(jiān)測(cè)儀等為例，它們均采用了顯示器，而這些顯示器會(huì)受到噪聲源電壓的不利影響。隔離型電源可提供接地分離，因而能夠消除引起顯示器異常的噪聲。

由于具有多個(gè)用于實(shí)現(xiàn)各種不同功能的 PC 電路板，因此較大的醫(yī)療系統(tǒng) (例如：CT 掃描、血?dú)怆娊赓|(zhì)分析儀和某些超聲波系統(tǒng)) 通常采用一種分布式電源架構(gòu)，并且一般向整個(gè)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，大多數(shù)分布式電源架構(gòu)都需要對(duì)總線到子系統(tǒng)的工作電壓進(jìn)行隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換，因?yàn)榇祟惪偩€電壓能提供很大的電流。

反激式轉(zhuǎn)換器在隔離式 DC/DC 應(yīng)用中得到了廣泛的使用。電源設(shè)計(jì)人員之所以勉強(qiáng)選擇反激式轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)樾枰獫M足低功率隔離要求，而并非因?yàn)檫@類轉(zhuǎn)換器易于設(shè)計(jì)!由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零之原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問題，而且由于必須驅(qū)動(dòng)一個(gè)用于輸出電壓反饋的光耦合器還會(huì)使該問題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器需要專門花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)，而市售變壓器的選擇范圍往往有限，很有可能需要定制變壓器，這就導(dǎo)致事情變得更加復(fù)雜了。最近在電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)領(lǐng)域取得的進(jìn)步已經(jīng)使更低功率的隔離式轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計(jì)。凌力爾特公司近期推出的 LT8300 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器就解決了許多此類的反激式設(shè)計(jì)問題。

簡(jiǎn)單的反激式 IC 設(shè)計(jì)

LT8300 免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時(shí)僅用一個(gè)電源變壓器就能保持主端與副端的隔離，而這個(gè)電源變壓器必須橫跨隔離勢(shì)壘。LT8300 運(yùn)用了一種主端檢測(cè)方案，該方案能通過反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來(lái)檢測(cè)輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管負(fù)責(zé)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(diǎn)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)和調(diào)節(jié))。圖 1 示出了采用 LT8300 和僅 7 個(gè)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(cè)功能的 LT8300 反激式轉(zhuǎn)換器

LT8300 采用小型 5 引腳 SOT-23 封裝，可接受 5V 至 100V 的輸入電壓，這無(wú)需串聯(lián)降壓電阻器就可直接加到該 IC 上。由于具備高電壓內(nèi)置 LDO，而且 SOT-23 封裝上的 VIN 和 SW 引腳具固有的額外間距，所以該器件能采用高輸入電壓可靠地運(yùn)作。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(dá) 2W 的輸出功率。

主端輸出電壓檢測(cè)

通過檢測(cè)變壓器主端上的輸出電壓，LT8300 無(wú)需增設(shè)光耦合器或額外的變壓器繞組。當(dāng)功率晶體管關(guān)斷時(shí)，在主端開關(guān)節(jié)點(diǎn) (SW 引腳) 波形上可準(zhǔn)確地測(cè)量輸出電壓，如圖 2 所示，其中 N 為變壓器的匝數(shù)比，VIN 是輸入電壓，VC 為最高箝位電壓。

圖 2：典型的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

以邊界模式運(yùn)作時(shí)，負(fù)載調(diào)節(jié)性能優(yōu)異，因?yàn)榉瓷涞妮敵鲭妷菏冀K在二極管電流過零時(shí)采樣。LT8300 通?？商峁﹥?yōu)于 ±2% 的負(fù)載調(diào)節(jié)，如圖 3 所示。

圖 3：圖 1 所示原理圖的負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)曲線

變壓器選擇和設(shè)計(jì)考慮因素

變壓器規(guī)格和設(shè)計(jì)很可能是成功應(yīng)用 LT8300 最關(guān)鍵的部分。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(jì)反激式變壓器，這些變壓器來(lái)自 Wurth Electronik、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。

結(jié)論

在醫(yī)療系統(tǒng)中，可以運(yùn)用電源隔離來(lái)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。基于 LT8300 的電路無(wú)需光耦合器，因而簡(jiǎn)化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，而且可以方便地購(gòu)得現(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，可提供高達(dá) 2W 的輸出功率，從而使其非常適合于種類繁多的醫(yī)療、工業(yè)、電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。