低功率反激式轉(zhuǎn)換器不再需要光耦合器

　　多種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用都需要隔離式輸出，而不僅是電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用有 48V 隔離要求。對(duì)于那些需要針對(duì)噪聲輸入電壓 (例如：汽車電池、中間總線和工業(yè)輸入) 的接地隔離之噪聲敏感型器件而言，隔離可以說(shuō)是必不可少的。顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統(tǒng)和一些醫(yī)療監(jiān)視設(shè)備可能都會(huì)受到帶噪聲的總線電壓的負(fù)面影響。

　　反激式轉(zhuǎn)換器廣泛用于隔離式 DC/DC 應(yīng)用，但是反激式轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計(jì)師的首選。電源設(shè)計(jì)師勉強(qiáng)選擇反激式轉(zhuǎn)換器的原因是，不得不滿足較低功率的隔離要求，而不是因?yàn)榉醇な睫D(zhuǎn)換器更易于設(shè)計(jì)。反激式轉(zhuǎn)換器需要將大量時(shí)間用在變壓器的設(shè)計(jì)上，而現(xiàn)成有售的變壓器通常可選范圍有限，而且有可能需要定制變壓器，這使變壓器設(shè)計(jì)這個(gè)任務(wù)進(jìn)一步復(fù)雜化了。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還存在穩(wěn)定性問(wèn)題 (由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)所致)，而光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化將使該問(wèn)題進(jìn)一步地復(fù)雜化。凌力爾特公司推出的 LT3574 隔離式單片反激式轉(zhuǎn)換器就解決了很多這類反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)難題。

　　首先，LT3574 無(wú)需光耦合器、外部 MOSFET 和副端基準(zhǔn)電壓，也無(wú)需電源變壓器額外提供第三個(gè)繞組，同時(shí)僅用一個(gè)必須跨隔離勢(shì)壘的組件，就能保持主端和副端隔離。LT3574 有一個(gè)內(nèi)置 0.65A、60V NPN 電源開關(guān)，可從一個(gè)范圍為 3V 至 40V 的輸入電壓提供高達(dá) 3W 的輸出功率，并采用了一個(gè)能通過(guò)主端反激開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形檢測(cè)輸出電壓的主端檢測(cè)電路。在開關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸出二極管向輸出提供電流，輸出電壓反射到反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的幅度是輸入電壓和反射的輸出電壓之和，LT3574 能重建該開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。在整個(gè)線電壓輸入范圍、整個(gè)溫度范圍以及 2% 至 100% 的負(fù)載范圍內(nèi)，這種輸出電壓反饋方法可產(chǎn)生好于 ±5% 的總調(diào)節(jié)誤差。圖 1 顯示了一個(gè)利用 LT3574 實(shí)現(xiàn)反激式轉(zhuǎn)換器的原理圖。

　　圖 1：采用主端輸出電壓檢測(cè)的反激式轉(zhuǎn)換器

　　LT3574 運(yùn)用邊界模式工作進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減小了轉(zhuǎn)換器尺寸并改進(jìn)了負(fù)載調(diào)節(jié)。LT3574 反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流降至零時(shí)，立即接通內(nèi)部開關(guān)，而當(dāng)開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定義的電流限制時(shí)，則斷開。因此，該器件工作時(shí)，總是處于連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 和斷續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM) 的轉(zhuǎn)換之中，這種工作方式常稱為邊界模式或關(guān)鍵傳導(dǎo)模式。其他特點(diǎn)包括可編程軟啟動(dòng)、可調(diào)電流限制、欠壓閉鎖和溫度補(bǔ)償。變壓器匝數(shù)比和兩個(gè)連接到 RFB 及 RREF 引腳的外部電阻器設(shè)定輸出電壓。LT3574 所采用的是 MSOP-16 封裝。

　　主端輸出電壓檢測(cè)

　　隔離式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測(cè)通常需要光耦合器和副端基準(zhǔn)電壓。光耦合器通過(guò)光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)維持隔離勢(shì)壘。不過(guò)，光耦合器的傳輸比隨溫度和老化而變化，從而降低了準(zhǔn)確度。光耦合器還引入傳輸延遲，從而導(dǎo)致較慢的瞬態(tài)響應(yīng)，而不同器件的瞬態(tài)響應(yīng)之間有可能呈非線性，這還可能導(dǎo)致一個(gè)設(shè)計(jì)在不同的電路實(shí)現(xiàn)中顯示不同的特性。運(yùn)用額外的變壓器繞組而不是光耦合器實(shí)現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計(jì)還可以用來(lái)閉合反饋環(huán)路。不過(guò)，這種額外的變壓器繞組可能增大變壓器的尺寸和成本。

　　LT3574 在變壓器的主端檢測(cè)輸出電壓，因而無(wú)需光耦合器或額外的變壓器繞組。如圖 2所示，當(dāng)功率晶體管關(guān)斷時(shí)，在主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形處可以準(zhǔn)確測(cè)量輸出電壓，其中 N 是變壓器的匝數(shù)比，VIN 是輸入電壓，VC 是最大箝位電壓。

　　圖 2：典型的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

　　以邊界模式工作可減小轉(zhuǎn)換器尺寸并改進(jìn)調(diào)節(jié)

　　邊界模式控制采用的是可變頻率電流模式開關(guān)電路。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時(shí)，變壓器電流增大，直至達(dá)到預(yù)置電流限制的設(shè)定點(diǎn)為止。SW 引腳上的電壓上升至：輸出電壓除以副端至主端變壓器匝數(shù)比 + 輸入電壓。當(dāng)通過(guò)二極管的副端電流降至零時(shí)，SW 引腳電壓降至低于VIN 。內(nèi)部 DCM 比較器檢測(cè)這個(gè)事件，并再次接通開關(guān)，重復(fù)這個(gè)周期。

　　在每個(gè)周期的末端，邊界模式工作使副端電流回到零，引起寄生電阻壓降，但不引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。此外，主端反激開關(guān)總是在零電流時(shí)接通，輸出二極管沒(méi)有反向恢復(fù)損耗。這種功耗的減少使得反激式轉(zhuǎn)換器能夠在一個(gè)相對(duì)較高的開關(guān)頻率下運(yùn)作，這反過(guò)來(lái)又縮減了變壓器的尺寸 (相比于較低頻率的替代設(shè)計(jì)方案)。圖 3 顯示 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。

　　圖 3：邊界模式工作時(shí)反激式轉(zhuǎn)換器波形

　　SW 電壓

　　SW 電流

　　二極管電流

　　由于反射輸出電壓始終在二極管電流零交叉點(diǎn)進(jìn)行采樣，因此在邊界模式操作中負(fù)載調(diào)節(jié)性能大為改善。LT3574 一般提供 ±3% 的負(fù)載調(diào)節(jié)。

　　變壓器選擇與設(shè)計(jì)考慮

　　變壓器規(guī)格和設(shè)計(jì)也許是成功應(yīng)用 LT3574 最關(guān)鍵的部分。凌力爾特公司已經(jīng)與領(lǐng)先磁性組件制造商合作，以生產(chǎn)預(yù)設(shè)計(jì)的反激變壓器，LT3574 數(shù)據(jù)表中給出了這些變壓器的完整列表。表 1 顯示了推薦使用的現(xiàn)成有售變壓器的節(jié)略列表，這些變壓器分別由 Wurth Electronik、Pulse Engineering 和 BH Electronics公司提供。這些變壓器從主端到副端一般能承受 1500VAC 的擊穿電壓長(zhǎng)達(dá) 1 分鐘。也可以使用較高擊穿電壓的變壓器和定制變壓器。

　　表 1：用于 LT3574 的現(xiàn)成有售的變壓器

　　凌力爾特公司免費(fèi)提供仿真軟件 LTspice，該軟件可從 www.linear.com.cn 網(wǎng)站下載。LT3574 可以利用表 1 所列的任何變壓器建模，所建立的模型能產(chǎn)生非常逼真的仿真效果，可幫助減輕設(shè)計(jì)這類轉(zhuǎn)換器的負(fù)擔(dān)。電路仿真包括有關(guān)以下問(wèn)題的信息：電路如何啟動(dòng)、在不同輸入電壓時(shí)電路對(duì)負(fù)載階躍的反應(yīng)，并顯示在變化條件下，共模電流怎樣流動(dòng)。更改設(shè)計(jì)很容易，也很容易看到更改對(duì)電路性能的影響。

　　變壓器匝數(shù)比

　　在選擇變壓器匝數(shù)比以適合任何給定應(yīng)用時(shí)，通過(guò)用 RFB/RREF 電阻器比值設(shè)定輸出電壓，用戶擁有相對(duì)的自由。一般情況下，變壓器匝數(shù)比的選擇原則是，最大限度地提高可用輸出功率。就低輸出電壓 (3.3V 或 5V) 而言，N : 1 的匝數(shù)比可用于多個(gè)主端繞組相對(duì)于副端繞組的情況，以最大限度地提高變壓器的電流增益和輸出功率。不過(guò)，SW 引腳上的電壓等于最大輸入電源電壓 + 輸出電壓乘以匝數(shù)比。該電壓需要保持低于 SW 引腳的 ABS MAX 額定值，以防止內(nèi)部電源開關(guān)擊穿。就給定應(yīng)用而言，這些條件合起來(lái)限定了匝數(shù)比 (N) 的上限，即匝數(shù)比需要滿足以下不等式：

　　其中 VF 是輸出二極管壓降，VOUT 是輸出電壓。

　　就較大的N : 1 值而言，需要具較大物理尺寸的變壓器，以提供額外的電流，并提供足夠大的電感，從而確保斷開時(shí)間足夠長(zhǎng)，以準(zhǔn)確測(cè)量輸出電壓。

　　就較低的輸出功率值而言，可選擇 1 : 1 或 1 : N 變壓器，以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)最小的變壓器尺寸。采用一個(gè)匝數(shù)比為 1 : N 的變壓器將最大限度地減小變壓器的尺寸和磁化電感，但也會(huì)限制可用的輸出功率。一個(gè)較高的 1 : N 匝數(shù)比使得能夠提供非常高的輸出電壓，而不會(huì)超過(guò)內(nèi)部電源開關(guān)的擊穿電壓。

　　變壓器的漏電感

　　變壓器主或副端的漏電感導(dǎo)致電源開關(guān)關(guān)閉后在主端出現(xiàn)電壓尖峰。該尖峰在較大負(fù)載電流時(shí)更顯著，因?yàn)樵谳^大負(fù)載電流時(shí)，必須釋放更多所儲(chǔ)存的能量。利用變壓器繞組的緊密耦合可以最大限度地減小漏電感，并可通過(guò)讀取一個(gè)變壓器繞組上的電感 (而其他的繞組短路) 來(lái)測(cè)量漏電感。

　　下面圖 4 所示的簡(jiǎn)單 RCD (電阻器、電容器和二極管) 箝位電路可防止漏電感尖峰超過(guò)電源電路的擊穿電壓。該電路包含在所有 LT3574 應(yīng)用電路中，而且肖特基二極管往往憑借其快速接通時(shí)間而成為吸振器的最佳選擇。

　　圖 4：RCD 箝位電路

　　演示電路

　　采用 LT3574 的演示電路板如圖 5 所示。該電路接受范圍從 10V 至 30V 的輸入電壓，在電流高達(dá) 0.5A 時(shí)產(chǎn)生隔離的 5V 輸出。

　　圖 5：LT3574 應(yīng)用電路照片 (尺寸：31mm x 15mm x 6.5mm)

　　結(jié)論

　　基于 LT3574 的電路由于無(wú)需光耦合器、外部 MOSFET、副端基準(zhǔn)電壓、以及無(wú)需電源變壓器提供額外的第三個(gè)繞組，因此極大地簡(jiǎn)化了隔離式反激 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。該器件僅用一個(gè)跨隔離勢(shì)壘的組件，就能保持主端至副端隔離。LT3574 在 3V 至 40V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，能提供高達(dá) 3W 的連續(xù)輸出功率，非常適合多種應(yīng)用?？墒褂矛F(xiàn)成有售的變壓器，因此無(wú)需定制變壓器。很多應(yīng)用都需要隔離式轉(zhuǎn)換器，而不僅是電信應(yīng)用有隔離要求。就 GPS 系統(tǒng)、顯示器、可編程邏輯控制器、醫(yī)療監(jiān)視設(shè)備等噪聲敏感應(yīng)用而言，與總線電壓隔離是必須的。