反激式控制器免除了光耦合器并簡化了設計

引言
包括電信和數(shù)據(jù)通信在內的眾多 DC/DC 轉換器應用都需要隔離式輸出。許多數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通過一根 48V 總線來分配功率，而且由于存在大量可用的 48V 功率，因此必需進行從該總線至子系統(tǒng)工作電壓的隔離型 DC/DC 轉換，以增強可靠性并在發(fā)生故障或短路的情況下提供安全保護。在系統(tǒng)內部的每塊外設板卡之上一般都布設有一根隔離式中間總線轉換器，用于向負載點穩(wěn)壓器提供一個較低的總線電壓。這些中間總線轉換器的功率有可能從幾瓦到幾百瓦不等，而且通常是 DC/DC 模塊。此類模塊采用標準的焊腳和結構封裝，從而使其成為一種快速適用型解決方案。這可能意味著工程設計時間的縮短以及產(chǎn)品面市進程的加快，然而，電源模塊會招致額外的成本，而且在大多數(shù)場合中模塊制造商都不允許客戶控制模塊內部所使用的組件。MOSFET、二極管或變壓器等內部組件的變更有可能顯著地改變模塊的 EMI 特性。此外，模塊內部的此類變更在標準的生產(chǎn)流程測試程序中常常發(fā)現(xiàn)不了。不過，功率轉換技術的近期發(fā)展已使較低功率隔離型轉換器的設計大為簡化，并允許對設計中所采用的全部組件進行控制。

而且，對于那些需要將接地點與噪聲輸入電壓 (例如：汽車電池和工業(yè)輸入) 分離開來的噪聲敏感型器件而言，隔離也可能是必要的。除此之外，顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統(tǒng)以及某些醫(yī)療監(jiān)控設備也都會遭受噪聲總線電壓的負面影響。

在隔離型 DC/DC 應用中廣泛使用反激式轉換器已有多年；然而，它們卻未必是設計人員的首選。電源設計師選用反激式轉換器并不是因為它們可降低設計難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點的原因，反激式轉換器存在穩(wěn)定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題進一步復雜化。此外，反激式轉換器還需要專門花費大量的時間進行變壓器的設計，而由于可供選擇的市售變壓器品種有限且有可能需要定制變壓器，所以導致此項設計工作變得愈發(fā)復雜。不過，凌力爾特公司近期發(fā)布的 LT3748 隔離型反激式控制器解決了此類反激式設計的諸多難題。

新型反激式 IC 簡化了設計
首先，LT3748 免除了增設光耦合器、副端基準電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時保持了主端與副端之間的隔離 (只有一部分必須橫跨隔離勢壘)。LT3748 運用了一種主端檢測方案，該方案能通過反激式變壓器主端開關節(jié)點波形來檢測輸出電壓。在開關斷開期間，輸出二極管負責向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關節(jié)點電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT3748 能夠重構)。這種輸出電壓反饋技術在整個線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及一個 2% 至 100% 的負載范圍內實現(xiàn)了優(yōu)于 ±5% 的總調節(jié)準確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉換器原理圖。

圖 1：采用主端輸出電壓檢測的 LT3748 反激式轉換器

LT3748 可接受一個 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內的輸入電壓可以直接施加至 IC，而無需使用一個串聯(lián)降壓電阻器。由于具有高電壓板上 LDO 并采用 MSOP-16 封裝 (去掉了 4 個引腳以實現(xiàn)額外的高壓引腳間隔)，因此該器件能在高輸入電壓條件下可靠運作。另外，這款器件的板上柵極驅動器可為一個外部 NPN 電源開關供電，使得它能夠提供高達 50W 左右的功率 (其最大輸出功率取決于外部組件選擇、輸入電壓范圍和輸出電壓)。

此外，LT3748 所運用的邊界模式操作進一步簡化了系統(tǒng)設計，并縮減了總體轉換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉換器在副端電流減小至零之后立即接通其內部開關，并在開關電流達到預定電流限值時關斷。于是，它始終工作在連續(xù)導通模式 (CCM) 和不連續(xù)導通模式 (DCM) 的轉換之時，這通常被稱為邊界模式或臨界導通模式。該器件的其他特點包括可編程軟起動、可調電流限值、欠壓閉鎖和溫度補償。輸出電壓由變壓器匝數(shù)比以及兩個與 RFB 和 RREF 引腳相連的外部電阻器設定。

主端輸出電壓檢測
隔離型轉換器的輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器和副端基準電壓。光耦合器用于通過光鏈路來傳送輸出電壓反饋信號，同時保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比會隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準確度下降。光耦合器還引入了一個傳播延遲，進而導致較慢的瞬態(tài)響應 (因部件的不同可能是非線性的)，這還會造成一款設計在不同的電路中表現(xiàn)出不同的特性。也可以采用一種使用附加變壓器繞組 (用于實現(xiàn)電壓反饋) 的反激式設計，以代替光耦合器對反饋環(huán)路實施補償。然而，這個附加的變壓器繞組會增加變壓器的尺寸和成本。

LT3748 通過檢測變壓器主端上的輸出電壓免除了增設一個光耦合器或附加變壓器繞組的需要。如圖 2 所示，輸出電壓可在功率晶體管關斷期間的主端開關節(jié)點波形上準確地測量，其中的 N 為變壓器的匝數(shù)比，VIN 為輸入電壓，而 VC 為最大箝位電壓。

圖 2：典型的開關節(jié)點波形

邊界模式操作縮減了轉換器尺寸并改善了調節(jié)性能
邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關方案。當內部電源開關接通時；變壓器電流增加，直至達到其預設電流限值設定點為止。SW 引腳上的電壓上升至 “輸出電壓 / 變壓器副端-主端匝數(shù)比” + “輸入電壓”。當流過二極管的副端電流減小至零時，SW 引腳電壓下降至低于 VIN。內部 DCM 比較器檢測到這一情況并重新接通開關，從而重復該循環(huán)。

邊界模式在每個周期的末端使副端電流歸零，因而使得寄生阻性壓降不會引起負載調節(jié)誤差。此外，主端反激式開關始終在零電流時接通，而且輸出二極管沒有反向恢復損耗。功率損失的這種減少使得反激式轉換器能夠在一個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 示出了 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。