減少了組件數(shù)量的隔離式正向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

引言
過去 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)?strong>總線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)，一些公司爭先恐后地進(jìn)入了這一市場，追趕著這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。很多電源公司在過去幾年中也在努力開發(fā)，以向市場推出新產(chǎn)品，這些公司設(shè)計(jì)了自己獨(dú)有的磁性組件、拓?fù)?/strong>以及控制電路， 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，不過有些公司也開發(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，隨著專門針對應(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 (9V 至 32V)，另一種面向電信 / 數(shù)據(jù)通信市場 (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。凌力爾特提供單開關(guān)和雙開關(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)對同步 MOSFET 的控制、定時(shí)和驅(qū)動。最新控制器 IC 提供了簡單性、高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)，降壓型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師長期以來一直從中受益匪淺，這些控制器 IC 還具備同步整流和多相交錯(cuò)功率級。不過，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 通過一個(gè)脈沖變壓器向副邊 MOSFET 驅(qū)動器發(fā)送控制信號，以實(shí)現(xiàn)同步整流定時(shí)。同步設(shè)計(jì)對于較高功率或較低輸出電壓的應(yīng)用最有利。無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。
無需光耦合器，LT8310 的伏秒箝位就可定義 VOUT，從而簡化了設(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)包括可編程過流保護(hù)、可調(diào)輸入欠壓、過壓閉鎖和內(nèi)置過熱停機(jī)功能。LT8310 以 100kHz 至 500kHz 的可編程開關(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)
對于甚至在較低功率水平的更簡單隔離式 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)問題，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問題，而光耦合器的老化和增益變化使這個(gè)問題進(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，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 無需光耦合器和副邊基準(zhǔn)電壓，無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 采用主邊檢測方法，這種方法能夠通過反激的主邊開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形檢測輸出電壓。在開關(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。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的幅度是輸入電壓與反射回來的輸出電壓之和，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)，延長了電池運(yùn)行時(shí)間。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部軟啟動和欠壓閉鎖。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
就隔離式轉(zhuǎn)換器而言，輸出電壓檢測通常需要一個(gè)光耦合器和副邊參考電壓。光耦合器通過光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號，同時(shí)保持隔離勢壘。不過，光耦合器傳輸比隨溫度變化和老化而改變，這會降低其準(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 通過檢測變壓器主端的輸出電壓而無需光耦合器或額外的變壓器繞組。功率晶體管關(guān)斷時(shí)，在主邊開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上可以準(zhǔn)確地測量輸出電壓，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

目標(biāo)應(yīng)用	供應(yīng)商	器件型號
8VIN~32VIN至3.3V/2.1A	Würth Electronik	750311625
8VIN~32VIN至5V/1.5A	Würth Electronik	750311564
8VIN~32VIN至8V/0.9A	Würth Electronik	750311624
8VIN~32VIN至±12V/0.3A	Würth Electronik	750311624
8VIN~32VIN至24V/0.3A	Würth Electronik	750313445
8VIN~32VIN至48V/0.15A	Würth Electronik	750313457
4VIN~18VIN至5V/0.9A	Würth Electronik	750313460
4VIN~18VIN至12V/0.4A	Würth Electronik	750311342
18VIN~42VIN至3.3V/2.1A	Würth Electronik	750313439
18VIN~42VIN至5V/1.6A	Würth Electronik	750313442

結(jié)論
由于特定于應(yīng)用的控制 IC 廣泛可用，因此用戶無需像幾年前那樣需要很長的開發(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)和開發(fā)他們自己的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。