基于LT3573隔離型反激式的DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

　　引言

　　自從1994年單片開關(guān)電源問世以來，為開關(guān)電源的推廣和普及創(chuàng)造了條件。開關(guān)電源的應(yīng)用涉及到各種電子電器設(shè)備領(lǐng)域，如程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。各種新技術(shù)、新工藝和新器件如雨后春筍般，不斷問世，使得開關(guān)電源的應(yīng)用日益普及。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，從最初的20kHz提高到現(xiàn)在的幾百kHz甚至幾兆赫茲，高頻化帶來開關(guān)電源的小型化。目前，開關(guān)電源正朝著高效節(jié)能、安全環(huán)保、小型化、輕便化方向發(fā)展。

　　LT3573簡(jiǎn)介

　　LT3573是一種單片開關(guān)穩(wěn)壓器件，專為隔離型反擊式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)。在隔離型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器原邊電路需要時(shí)時(shí)感知到副邊輸出電壓的變化信息，以便維持輸出電壓穩(wěn)定。在以往的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，常常采用光電耦合器件或者另外增加變壓器繞組，來得到輸出電壓反饋信息。光電耦合器件存在的問題是：①耗費(fèi)輸出功率;②成本增加，電路結(jié)構(gòu)便得復(fù)雜;③有限的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、器件非線性、老化等，都會(huì)帶來麻煩。

　　另外若新增變壓器或變壓器繞組，無形就會(huì)使變壓器物理尺寸變大，成本增加，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)也不怎么樣好。而LT3573則無需外接光電耦合器件或第三繞組，其特有的內(nèi)置反激誤差放大器，在二次側(cè)繞組電流為零時(shí)，反激誤差放大器開始取樣輸出電壓信息，直接從變壓器原邊的反激電壓波形檢測(cè)輸出電壓的變化信息，自動(dòng)維持輸出電壓的穩(wěn)定性，這也是此IC設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)之所在。反激電壓由于RFB和Q2的作用，變換成電流，這個(gè)電流幾乎全部流過電阻RREF，形成反饋電壓，進(jìn)入反激誤差放大器，并與其1.22V的參考電壓進(jìn)行比較，以便后續(xù)電路能調(diào)整開關(guān)管的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，如圖1所示。

　　圖1 LT3573內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

　　一個(gè)1.25A、60V的NPN型功率開關(guān)管以及全部控制邏輯單元都集成到一個(gè)16引腳MSOP封裝的LT3573內(nèi)部。極大地簡(jiǎn)化了該集成塊應(yīng)用的外圍電路設(shè)計(jì)工作，在3V~40V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，最大輸出功率值可達(dá)7W.可應(yīng)用于需要隔離型電源的眾多領(lǐng)域，比如工業(yè)、醫(yī)療、數(shù)據(jù)通信、汽車應(yīng)用、低功率PoE和VoIP電話接口等。

　　LT3573工作于邊界模式，與對(duì)等的連續(xù)傳導(dǎo)模式設(shè)計(jì)相比較，邊界模式工作允許使用較小的變壓器。

　　鉗位電路的設(shè)計(jì)

　　變壓器漏感Lsl(無論原邊還是副邊)，如圖2所示，會(huì)在原邊引起一個(gè)電壓尖峰出現(xiàn)。當(dāng)輸出開關(guān)關(guān)閉后，這個(gè)尖峰隨著更高的負(fù)載電流越來越尖，這就需要選擇能量吸收網(wǎng)絡(luò)消耗掉漏感中儲(chǔ)存的能量。在大多數(shù)情況下，需要用緩沖電路，以避免過壓擊穿輸出開關(guān)節(jié)點(diǎn)。所以，變壓器漏感應(yīng)盡量減少。

　　選擇吸收網(wǎng)絡(luò)鉗位反激開關(guān)電壓尖峰。由于開關(guān)變壓器的漏感產(chǎn)生的電壓尖峰，反激電壓可由下式計(jì)算：

　　其中：VF—變壓器二次側(cè)整流二極管D2正向壓降;

　　ISEC—變壓器二次側(cè)電流;

　　ESR—二次回路的總阻抗;

　　NPS—變壓器有效的原副邊匝數(shù)比;

　　VOUT—輸出電壓。

　　這個(gè)電壓和輸入電壓之和(VIN +VFLBK)直接加到了功率開關(guān)管Q1的集電極上，容易造成功率開關(guān)管Q1的二次擊穿而損壞。為了鉗位電壓尖峰值在開關(guān)管的額定值以內(nèi)，最常用RCD吸收電路，使得開關(guān)管關(guān)斷期間，儲(chǔ)存在漏感中的能量轉(zhuǎn)移到吸收網(wǎng)絡(luò)電容C1里，并且最終消耗在電阻R1上，如圖2所示。

　　圖2 RCD吸收電路圖

　　這里的鉗位二極管D1開關(guān)速度要足夠快，否則，開關(guān)管關(guān)斷瞬間，漏感尖峰無法及時(shí)傳遞到電容C1上而會(huì)在開關(guān)管Q1集電極產(chǎn)生瞬間高壓，如圖3所示。因此，肖特基二極管通常是最好的選擇。

　　圖3開關(guān)管Q1集電極電壓波形示意圖

　　一旦鉗位二極管D1開通，漏感電流就會(huì)被C1吸收，吸收時(shí)間不得長(zhǎng)于150ns，如圖3所示的tSP開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)

　　4.1原邊最小電感量

　　因?yàn)長(zhǎng)T3573通過檢測(cè)開關(guān)變壓器原邊反激脈沖波來調(diào)整隔離輸出電壓。當(dāng)二次側(cè)繞組傳導(dǎo)電流時(shí)，LT3573就從SW引腳獲得輸出電壓信息，這時(shí)，取樣電路需要一個(gè)最低限度的時(shí)間取樣輸出電壓。為了保證足夠的取樣時(shí)間，原邊就需要保持一個(gè)最低電感值LPRI.該電感值計(jì)算公式如下：

　　式中：toff ( MIN) = 350ns，開關(guān)管最小關(guān)斷時(shí)間;

　　IMIN = 250mA，轉(zhuǎn)換器的最低電流限制。

　　4.2變壓器匝數(shù)比

　　一般來說，選擇變壓器匝數(shù)比，是為了最大限度地獲得輸出功率，也可使轉(zhuǎn)換器有足夠的電流處理能力，但是匝數(shù)比不能太大了。對(duì)于低輸出電壓(3.3V或5V)來說，用原邊匝數(shù)數(shù)倍于副邊匝數(shù)(N：1)以最大化變壓器的電流增益(和輸出功率)，此時(shí)SW引腳的電壓等于最大輸入電源電壓加上輸出電壓乘以匝數(shù)比的和。這個(gè)數(shù)值必須保持在SW引腳的VSW (MAX)值之下，以防止內(nèi)部電源開關(guān)管崩潰。綜合這些條件，對(duì)某一特定應(yīng)用來說，需要設(shè)置一個(gè)匝數(shù)比的上限值N，選擇一個(gè)匝數(shù)比足夠低的變壓器。

　　其中：VSW (MAX)為開關(guān)管最大電壓應(yīng)力。根據(jù)電路仿真，得出如表1所示的在不同變壓器匝數(shù)比情況下，開關(guān)電壓應(yīng)力和輸出電流能力。

　　表1開關(guān)電壓應(yīng)力和輸出電流能力與匝數(shù)比

　　實(shí)際應(yīng)用電路及仿真分析仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示，采用12V輸入電壓，開關(guān)變壓器原副邊的繞組匝數(shù)比設(shè)為3：1，RREF引腳外接對(duì)地參考電阻，阻值一般設(shè)為6.04k，此電阻值不能偏離6.04k過大，一般百分之幾的變化是可以接受的，否則，會(huì)引起大的輸出電壓誤差。RFB為外部反饋電阻器的輸入引腳，此處阻值設(shè)為80.6k.此引腳連接到變壓器的原邊(Vsw)。這個(gè)電阻與RREF電阻的比值，決定了輸出電壓(加上任何非一體化的變壓器匝數(shù)比的影響)。在反激期間，通過這個(gè)電阻的平均電流大約為200μA.也可以用如下公式來確定RFB與RREF之間的關(guān)系：

　　其中：—開關(guān)管Q1的Ic/Ie比值，典型值為0.986;VTC—0.55V;

　　VBG—內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓。

　　圖4實(shí)際應(yīng)用電路示例

　　Tc引腳內(nèi)部連接了一個(gè)正溫度系數(shù)電流源到RREF引腳，引腳外部接輸出電壓溫度補(bǔ)償電阻，產(chǎn)生的電流正比于絕對(duì)溫度，仿真時(shí)阻值設(shè)為28.7k.RILIM最大電流限制調(diào)整引腳，用一個(gè)10k的電阻就可以讓LT3573達(dá)到最大工作電流能力。/UVLO為關(guān)斷/欠壓閉鎖引腳，連接到Vin的電阻分壓器固定在此引腳上，以便提供LT3573工作的最低輸入電壓。當(dāng)電壓低于約0.7V時(shí)，內(nèi)部電路幾乎沒有靜態(tài)電流。當(dāng)>0.7V且1.25V時(shí)，內(nèi)部電路將開啟并且有10μA電流將輸入SS引腳。

　　電路仿真各個(gè)關(guān)鍵電位的波形如圖5所示。從波形圖上可以驗(yàn)證，邊界模式每個(gè)周期讓二次側(cè)電流歸零，這樣寄生電阻的電壓降不會(huì)導(dǎo)致負(fù)載穩(wěn)定性誤差。電路可穩(wěn)定輸出5V直流電壓，0.5A的直流電流，額定功率達(dá)到2.5W.輸入電壓為12V時(shí)，開關(guān)管Q1最大電壓應(yīng)力約28V，符合預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　圖5電路仿真關(guān)鍵點(diǎn)波形

　　結(jié)束語(yǔ)

　　此種電路設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于沒有使用光電耦合器件，或變壓器，或變壓器繞組，而是靠檢測(cè)開關(guān)管集電極電壓波形來穩(wěn)定輸出電壓，簡(jiǎn)化了外圍電路，既避免了電路額外的功率損耗，同時(shí)又增加了電路的可靠性。