反激式控制器免除了光耦合器并簡化了設(shè)計(jì)

引言
包括電信和數(shù)據(jù)通信在內(nèi)的眾多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)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(jìn)行從該總線至子系統(tǒng)工作電壓的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換，以增強(qiáng)可靠性并在發(fā)生故障或短路的情況下提供安全保護(hù)。在系統(tǒng)內(nèi)部的每塊外設(shè)板卡之上一般都布設(shè)有一根隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器，用于向負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器提供一個(gè)較低的總線電壓。這些中間總線轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的焊腳和結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)間的縮短以及產(chǎn)品面市進(jìn)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(nèi)部所使用的組件。MOSFET、二極管或變壓器等內(nèi)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(nèi)部的此類變更在標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程測試程序中常常發(fā)現(xiàn)不了。不過，功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的近期發(fā)展已使較低功率隔離型轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)大為簡化，并允許對設(shè)計(jì)中所采用的全部組件進(jìn)行控制。

而且，對于那些需要將接地點(diǎn)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(shè)備也都會遭受噪聲總線電壓的負(fù)面影響。

在隔離型 DC/DC 應(yīng)用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年；然而，它們卻未必是設(shè)計(jì)人員的首選。電源設(shè)計(jì)師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因?yàn)樗鼈兛山档驮O(shè)計(jì)難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實(shí)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(diǎn)的原因，反激式轉(zhuǎn)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(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費(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(dǎo)致此項(xiàng)設(shè)計(jì)工作變得愈發(fā)復(fù)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(shè)計(jì)的諸多難題。

新型反激式 IC 簡化了設(shè)計(jì)
首先，LT3748 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)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(yùn)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(guān)節(jié)點(diǎn)波形來檢測輸出電壓。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 (LT3748 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個(gè)線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及一個(gè) 2% 至 100% 的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 ±5% 的總調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。

圖 1：采用主端輸出電壓檢測的 LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器

LT3748 可接受一個(gè) 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至 IC，而無需使用一個(gè)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(gè)引腳以實(shí)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(yùn)作。另外，這款器件的板上柵極驅(qū)動器可為一個(gè)外部 NPN 電源開關(guān)供電，使得它能夠提供高達(dá) 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(yùn)用的邊界模式操作進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開關(guān)，并在開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定電流限值時(shí)關(guān)斷。于是，它始終工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 的轉(zhuǎn)換之時(shí)，這通常被稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。該器件的其他特點(diǎn)包括可編程軟起動、可調(diào)電流限值、欠壓閉鎖和溫度補(bǔ)償。輸出電壓由變壓器匝數(shù)比以及兩個(gè)與 RFB 和 RREF 引腳相連的外部電阻器設(shè)定。

主端輸出電壓檢測
隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個(gè)光耦合器和副端基準(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)確度下降。光耦合器還引入了一個(gè)傳播延遲，進(jìn)而導(dǎo)致較慢的瞬態(tài)響應(yīng) (因部件的不同可能是非線性的)，這還會造成一款設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電壓反饋) 的反激式設(shè)計(jì)，以代替光耦合器對反饋環(huán)路實(shí)施補(bǔ)償。然而，這個(gè)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(shè)一個(gè)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(guān)斷期間的主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)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(guān)節(jié)點(diǎn)波形

邊界模式操作縮減了轉(zhuǎn)換器尺寸并改善了調(diào)節(jié)性能
邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方案。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時(shí)；變壓器電流增加，直至達(dá)到其預(yù)設(shè)電流限值設(shè)定點(diǎn)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(dāng)流過二極管的副端電流減小至零時(shí)，SW 引腳電壓下降至低于 VIN。內(nèi)部 DCM 比較器檢測到這一情況并重新接通開關(guān)，從而重復(fù)該循環(huán)。

邊界模式在每個(gè)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(fù)載調(diào)節(jié)誤差。此外，主端反激式開關(guān)始終在零電流時(shí)接通，而且輸出二極管沒有反向恢復(fù)損耗。功率損失的這種減少使得反激式轉(zhuǎn)換器能夠在一個(gè)較高的開關(guān)頻率下運(yùn)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(shè)計(jì)方案)。圖 3 示出了 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。