隔離型分立式正向 DC/DC 設(shè)計需要極少外部組件

引言

過去 25 年來，高密度隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。25 年前，全磚和半磚外形尺寸的推出吸引了人們蜂擁而至，將其用于電信、數(shù)據(jù)通信、工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)中的分布式電源架構(gòu)中，在這類系統(tǒng)中，總線電壓供給系統(tǒng)中的每一塊電路板，而且每個電路板都有自己的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。很多這類磚結(jié)合了幾百個器件，因此相比在 PCB 上設(shè)計分立式電源，使用這類磚會容易得多。那時，幾家電源公司匆忙進入了這一市場，追趕這一領(lǐng)域的領(lǐng)導者。很多公司經(jīng)歷了幾年艱苦細致的開發(fā)，將產(chǎn)品推向了市場，開發(fā)了自己的磁性組件、拓撲和控制電路，并始終試圖超越同類產(chǎn)品。這些產(chǎn)品很多最終與同類產(chǎn)品有相同的占板面積，還有一些擁有獲得專利的尺寸和引出腳配置。最后，這些產(chǎn)品擴展至包括 1/4、1/8 和 1/16 磚，以及視所需輸出功率不同而有無數(shù)變化的其他尺寸。

不過，隨著專用 DC/DC 控制器和單片器件的推出以及現(xiàn)成有售的平面電源變壓器和電感器的出現(xiàn)，使分立式設(shè)計比以前容易多了。實際上，隔離型反激式設(shè)計可以用 15 個器件實現(xiàn)，正向轉(zhuǎn)換器則需要 20 個器件。在新的專用控制器和單片器件時代，設(shè)計師擁有了開發(fā)隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的各種不同途徑。改善的 MOSFET 開關(guān)、 VDS 額定值和 RDS(ON) 也使得實現(xiàn)這類分立式設(shè)計更容易了。有些設(shè)計在反饋環(huán)路中也不再需要光耦合器或信號變壓器了，而且很多設(shè)計可以用于軍事應用，在 -55°C 至 150°C 的溫度范圍內(nèi)工作。

很多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應用都需要隔離輸出，而不僅是電信和數(shù)據(jù)通信規(guī)定了 48V 隔離要求。對于需要把地和帶噪聲的輸入電壓隔離之噪聲敏感型設(shè)備而言，例如汽車電池、中間總線和工業(yè)輸入，隔離是必要的。具噪聲的總線電壓可能對顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統(tǒng)以及一些醫(yī)療監(jiān)視設(shè)備造成負面影響。用于檢查的相機、牙科儀器、睡眠和生命體征監(jiān)視器等都有顯示器，都可能受到帶噪聲的電源電壓之不利影響。然而，隔離型電源提供了與地的隔離，可消除噪聲引起的顯示器異常。

凌力爾特有全線的特定拓撲控制器，可用在隔離型高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，以實現(xiàn)反激式、正向、推挽、全橋式拓撲。有些版本有同步整流，有些則沒有，大多數(shù)沒有光耦合器，有些用信號變壓器閉合反饋環(huán)路，另一些則檢測來自主端變壓器繞組的輸出電壓。這些控制器提供兩種基本輸入電壓范圍，一種用于工業(yè)市場 (9V 至 32V)，另一種用于電信 / 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。凌力爾特為所有這些拓撲以及 1.2V 至 48V 的輸入電壓和輸出電壓提供預制設(shè)計。用戶可以獲得每種設(shè)計的演示電路板、電氣原理圖、用料單以及 Gerber 文件?？焖倨饎又改咸峁┬阅芮€，包括負載 / 電壓調(diào)節(jié)、紋波和噪聲、效率和瞬態(tài)響應。

隔離型正向轉(zhuǎn)換器

在隔離型高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中最流行使用的拓撲之一是正向轉(zhuǎn)換器。凌力爾特提供幾種類型的正向控制器，有些用單個主端 IC 實現(xiàn)控制，另一些則同時有主端和副端 IC，以實現(xiàn)控制、定時以及驅(qū)動同步 MOSFET。具備同步整流和多相交錯功率級的最新控制器 IC 使降壓型轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了簡單性、高效率和快速瞬態(tài)響應，因此設(shè)計師長久以來一直很受益?，F(xiàn)在正向轉(zhuǎn)換器也具備了降壓型轉(zhuǎn)換器這些優(yōu)點，不久前推出的 LT8310 就是一個例子，該器件可構(gòu)成組件數(shù)很少的應用。實際上，圖 1 中的 LT8310 原理圖僅用了 20 個組件，就構(gòu)成了一個輸出功率高達 78W 的隔離型正向轉(zhuǎn)換器。

圖 1：LT8310 隔離型正向轉(zhuǎn)換器僅用 20 個組件就可提供 78W 輸出功率

這個電路用標稱 48V 輸入以高達 6.5A 電流產(chǎn)生 12V 輸出，效率高達 92%。這款主端正向控制器具備諧振復位運行功能，在 6V 至 100V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，以提供高達 200W 功率為目標。這款器件可用在同步或非同步應用中。就同步運行而言，LT8310 通過脈沖變壓器向副端 MOSFET 驅(qū)動器發(fā)送控制信號以實現(xiàn)同步整流定時。同步設(shè)計對較高功率或較低輸出電壓應用最有利。無需使用光耦合器，就可實現(xiàn) ±8% 的輸出電壓調(diào)節(jié)，如圖 2 所示。

圖 2：圖 1 原理圖中 LT8310 的輸出電壓調(diào)節(jié)

使用光耦合器時，可以實現(xiàn) ±1.5% 的調(diào)節(jié)?？删幊谭?秒箝位針對變壓器復位提供保護，以防止飽和并保護 MOSFET。這一功能優(yōu)化了變壓器和 MOSFET，減小了總體解決方案尺寸。LT8310 采用 TSSOP-20 封裝，并去掉了幾個引腳以提供高壓間隔。

反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計

在較低功率要實現(xiàn)甚至更簡單的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以使用反激式拓撲。反激式轉(zhuǎn)換器很多年來一直廣泛用于隔離型 DC/DC 應用，但這種轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計師的首選。電源設(shè)計師之所以迫不得已選擇反激式轉(zhuǎn)換器，是因為必須滿足較低功率隔離要求，而不是因為這種轉(zhuǎn)換器更易于設(shè)計。因為控制環(huán)路中存在右半平面零點，所以反激式轉(zhuǎn)換器有穩(wěn)定性問題，而光耦合器的老化和增益變化使這一問題進一步復雜化了。反激式轉(zhuǎn)換器需要在變壓器設(shè)計上花費大量時間，由于通?，F(xiàn)成有售的磁性組件可選范圍有限，而且還有可能需要定制變壓器，所以變壓器設(shè)計任務更加復雜了。電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的最新進步已經(jīng)使隔離型轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計了。凌力爾特的 LT8302 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器消除了很多這類反激式設(shè)計的障礙。

LT8302 無需光耦合器、副端基準電壓和額外的第三個變壓器繞組，而且僅通過電源變壓器這一個組件跨接在隔離勢壘兩端，就可保持主端和副端隔離。LT8302 采用主端檢測方法，能夠通過反激的主端開關(guān)節(jié)點波形檢測輸出電壓。在開關(guān)斷開時，輸出二極管向輸出提供電流，輸出電壓反射回反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點電壓的幅度是輸入電壓和反射回來的輸出電壓之和，LT8302 能夠重建輸出電壓。這種輸出電壓反饋方法在整個電壓、負載和溫度變化范圍內(nèi)產(chǎn)生優(yōu)于 ±5% 的總體穩(wěn)壓。圖 3 顯示了采用 LT8302 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖，該轉(zhuǎn)換器僅用了 14 個外部組件。

圖3：具主端輸出電壓檢測的 LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器

LT8302 采用 8 引線耐熱增強型 SO-8 封裝，接受 2.8V 至 42V 輸入電壓。其具有堅固的 3.6A、65V 內(nèi)部 DMOS 電源開關(guān)允許該器件提供高達 18W 左右的輸出功率。

此外，LT8302 在輕負載時以低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 運行，這使靜態(tài)電流降至僅為 106µA，因此在休眠模式、輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時延長了電池運行時間。其他特點包括內(nèi)部軟啟動和欠壓閉鎖。設(shè)定輸出電壓僅需要變壓器匝數(shù)比和一個外部電阻器。

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光耦合器和副端基準電壓。光耦合器通過光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號，同時保持隔離勢壘。不過，光耦合器傳輸比隨溫度及老化而變，這降低了準確度。不同光耦合器之間還有可能是非線性的，這導致不同電路之間增益 / 相位特性不同。采用額外變壓器繞組實現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計也可用來閉合反饋環(huán)路。然而，這個額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸和成本，而且不能提供非常好的輸出電壓穩(wěn)定度。

LT8302 在變壓器主端檢測輸出電壓，因此無需光耦合器或額外的變壓器繞組。在功率晶體管斷開時，在主端開關(guān)節(jié)點波形處可以準確地測量輸出電壓，如圖 4 所示，其中 N 是變壓器匝數(shù)比，VIN 是輸入電壓，VC 是最高箝位電壓。

圖 4：典型的開關(guān)節(jié)點波形

針對 LT8302 的變壓器選擇和設(shè)計考慮

變壓器性能規(guī)格和設(shè)計對成功應用 LT8302 也許是最關(guān)鍵的。除了設(shè)計高頻隔離型電源變壓器通常需要注意的事項，即低泄漏電感和緊耦合，變壓器匝數(shù)比也必須嚴格控制。

凌力爾特已經(jīng)與幾家磁性組件制造商展開合作，以生產(chǎn)能與 LT8302 一起使用的預設(shè)計反激式變壓器。表 1 列出了一些推薦使用的現(xiàn)成有售 Wurth Electronik 變壓器，這些變壓器也列在 LT8302 數(shù)據(jù)表中。這些變壓器一般能夠在持續(xù) 1 分鐘時間內(nèi)承受 1500VAC 主端至副端擊穿電壓。也可以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

結(jié)論

廣泛提供的專用控制 IC 已經(jīng)使各公司能夠設(shè)計自己的高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，而不必經(jīng)歷設(shè)計師幾年前還必須面對的漫長開發(fā)周期。各公司允許其設(shè)計師全面控制設(shè)計和所用組件，從而使設(shè)計師能夠設(shè)計標準產(chǎn)品也許不提供的特定功能，而且常常允許設(shè)計師實現(xiàn)更低的總體成本。隨著特定拓撲控制器、現(xiàn)成有售平面磁性組件、專用電路、演示電路板以及 Gerber 文件的提供，用戶現(xiàn)在有了全面的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計組件，從而可以更容易、更簡便地生產(chǎn)自己的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器了。