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隔離型內(nèi)務(wù)處理反激式轉(zhuǎn)換器簡化電源設(shè)計

作者: 時間:2016-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

設(shè)計師常常需要低功率隔離式內(nèi)務(wù)處理電源,有一個簡單的解決方案而不必購買電源磚或模塊,是很好的事。然而,你不想花費(fèi)很多時間弄懂它,而且需要這種解決方案易于用方便買到的現(xiàn)成有售變壓器進(jìn)行設(shè)計。是制作還是購買,取決于很多因素,但是簡單性、性能和靈活性對于做出哪種選擇影響很大。

很多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用都需要隔離輸出,而不僅是有 48V 隔離要求的電信和數(shù)據(jù)通信。對于需要隔離地與有噪聲輸入電壓的噪聲敏感設(shè)備,隔離是必須的,例如汽車電池、中間總線和工業(yè)輸入。顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統(tǒng)以及一些醫(yī)療監(jiān)視設(shè)備都可能受到噪聲總線電壓的負(fù)面影響。醫(yī)學(xué)檢查攝像頭、牙科設(shè)備、以及睡眠與關(guān)鍵體征監(jiān)視器等都使用顯示器,這些顯示器都可能受到噪聲電源電壓的負(fù)面影響。隔離式電源提供地隔離,可以消除可能導(dǎo)致顯示器異常的噪聲。

多年來,反激式轉(zhuǎn)換器一直廣泛地用于隔離式 DC/DC 應(yīng)用。但是這類轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計師的首選。電源設(shè)計師被迫選擇反激式轉(zhuǎn)換器是因為必須滿足較低功率的隔離需求,而不是因為這類轉(zhuǎn)換器更易于設(shè)計。由于大家熟知的控制環(huán)路中右半平面零點(diǎn)問題,反激式轉(zhuǎn)換器有穩(wěn)定性問題,而光耦合器的傳播延遲、老化及增益變化會使這一問題進(jìn)一步復(fù)雜化。

此外,使用反激式轉(zhuǎn)換器時,需要在變壓器設(shè)計上花費(fèi)大量時間,而通?,F(xiàn)成有售變壓器的選擇很有限,而且可能需要定制變壓器,這使變壓器設(shè)計這一任務(wù)變得更加復(fù)雜了。由于電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步,較低功率隔離式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計現(xiàn)在容易多了。凌力爾特公司不久前推出了 LT8302 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器,解決了很多這類反激式設(shè)計難題。

簡單的反激式 IC 設(shè)計

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繞組,同時僅用一個組件 (必須跨隔離勢壘的電源變壓器),就可保持主邊和副邊隔離。LT8302 采用主邊檢測電路,該電路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)斷開時,輸出二極管向輸出提供電流,輸出電壓返射至反激式變壓器的主邊。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的幅度是輸入電壓和返射的輸出電壓之和,LT8302 能夠重建該輸出電壓。在整個電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi),這種輸出電壓反饋方法實現(xiàn)了好于 ±5% 的總體穩(wěn)定度。圖 1 顯示了采用 LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器的原理圖,該電路僅采用了 14 個外部組件。

圖 1:具主邊輸出電壓檢測的 LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器

LT8302 采用 8 引線耐熱性能增強(qiáng)型 SO-8 封裝,接受 2.8V 至 42V 的輸入電壓。其堅固的內(nèi)置 3.6A、65V 內(nèi)部 DMOS 功率開關(guān)允許該器件提供高達(dá) 18W 左右的輸出功率。

此外,LT8302 在輕負(fù)載時以低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode?) 運(yùn)行,將靜態(tài)電流降至僅為 106μA,這在保持輸出電壓穩(wěn)定的同時,延長了休眠模式的電池運(yùn)行時間。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部軟啟動和欠壓閉鎖。設(shè)定輸出電壓時,僅需要調(diào)節(jié)變壓器的匝數(shù)比和 1 個外部電阻器。

主邊輸出電壓檢測

隔離式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器和副邊基準(zhǔn)電壓。光耦合器通過光鏈路傳送輸出電壓反饋信號,同時保持隔離勢壘。然而,光耦合器傳輸比隨溫度變化和老化程度而改變,從而降低了準(zhǔn)確度。光耦合器之間還有可能是非線性的,這導(dǎo)致電路之間不同的增益 / 相位特性。額外采用一個變壓器繞組實現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計還可能被用來閉合反饋環(huán)路。然而,這個額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸并增加了變壓器成本,而且不能提供非常好的輸出電壓穩(wěn)定度。

LT8302 在變壓器主邊檢測輸出電壓,因此無需光耦合器或額外的變壓器繞組。在圖 2 所示的功率晶體管斷開時,可在主邊開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)確測量輸出電壓,圖中 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 2:典型開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

邊界模式工作減小轉(zhuǎn)換器尺寸并改善調(diào)節(jié)性

副邊電流降至零時,LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器立即接通其內(nèi)部開關(guān),而當(dāng)開關(guān)電流達(dá)到預(yù)設(shè)定的電流限制時,則斷開該開關(guān)。因此,該器件始終在連續(xù)導(dǎo)通模式和斷續(xù)導(dǎo)通模式之間轉(zhuǎn)換,這種方式常稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。

邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方法。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時,變壓器電流上升,直至達(dá)到其當(dāng)前電流限制設(shè)定點(diǎn)為止。SW 引腳上的電壓上升至輸出電壓除以副-主變壓器匝數(shù)比再加上輸入電壓之和。當(dāng)通過二極管的副邊電流降至零時,SW 引腳電壓降至低于 VIN。LT8302 檢測這一事件,并重新接通開關(guān),再次重復(fù)上述周期。

邊界模式在每個周期結(jié)束時,使副邊電流返回到零,所引起的寄生電阻性電壓降不引起負(fù)載調(diào)節(jié)性誤差。此外,主邊反激開關(guān)在電流為零時始終接通,輸出二極管沒有反向恢復(fù)損耗。這種功耗降低使反激式轉(zhuǎn)換器能夠以相對較高的開關(guān)頻率運(yùn)行,這與其他較低頻率的設(shè)計相比,可減小變壓器尺寸。圖 3 顯示了 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。

圖 3:邊界模式反激式轉(zhuǎn)換器波形

由于返射的輸出電壓始終在二極管電流過零時采樣,所以 LT8302 負(fù)載調(diào)節(jié)非常出色,而且一般在整個輸出負(fù)載范圍內(nèi)好于 ±1%,如圖 4 所示。

圖 4:圖 1 原理圖的負(fù)載與電壓調(diào)節(jié)曲線

變壓器選擇與設(shè)計時的考慮因素

變壓器性能規(guī)格與設(shè)計也許是成功應(yīng)用 LT8302 最關(guān)鍵的部分。應(yīng)對高頻隔離式電源變壓器設(shè)計時,除了通常的注意事項,例如低泄漏電感和緊耦合,變壓器匝數(shù)比也必須嚴(yán)格控制。既然變壓器副邊電壓是靠主邊采樣電壓推斷,那么匝數(shù)比必須嚴(yán)格控制以確保一致的輸出電壓。

凌力爾特已經(jīng)與領(lǐng)先磁性組件制造商合作,以生產(chǎn)為與 LT8302 一起使用而預(yù)設(shè)計的反激式變壓器。表 1 顯示了建議使用和 Wurth Electronik 公司提供的現(xiàn)成有售變壓器。這些變壓器一般能承受從主邊到副邊 1500VAC 擊穿電壓一分鐘。也可以使用更高擊穿電壓的變壓器和定制變壓器。

表 1:可用于 LT8302 的現(xiàn)成有售變壓器

通過在 www.linear.com.cn/LTspice 上免費(fèi)下載一份 LTspice 軟件,就可以用表 1 所列任何變壓器設(shè)計 LT8302 電路。這種仿真設(shè)計產(chǎn)生逼真的結(jié)果,以幫助進(jìn)一步減輕這類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計負(fù)擔(dān),并確認(rèn)其設(shè)計。該仿真電路包含以下信息:電路如何啟動;針對不同輸入電壓,電路對負(fù)載步進(jìn)如何響應(yīng)。用這種仿真電路,很容易做出修改,并看到修改對電路性能產(chǎn)生的影響。

結(jié)論

很多電源應(yīng)用都需要隔離輸出,而且隔離輸出常常是為需要地與帶噪聲輸入電壓隔離的噪聲敏感設(shè)備而實現(xiàn)?;?LT8302 的電路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繞組,就可簡化隔離反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。該器件僅用一個跨隔離勢壘的器件,就可保持主邊和副邊隔離。由于有容易買到的現(xiàn)成有售變壓器,所以不需要定制變壓器,而且出色的負(fù)載調(diào)節(jié)使該器件適合多種應(yīng)用。因此,隔離反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計現(xiàn)在對工程師而言,已經(jīng)變得很簡單了。



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