多輸出隔離電源利用次級側(cè)同步后置穩(wěn)壓器實現(xiàn)高效率
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摘 要：本文介紹一個選擇是用新型的LT3710 設(shè)計后調(diào)節(jié)器實現(xiàn)多輸出電壓的隔離電源。
關(guān)鍵詞：隔離電源，LT3710，穩(wěn)壓器
引言
許多通訊、服務(wù)器和其他應(yīng)用領(lǐng)域都需要多輸出電壓的隔離電源，但是對所有的輸出電壓都提供嚴密調(diào)節(jié)是令電源設(shè)計工程師們頭疼的事。一般的，設(shè)計者在每個輔助輸出端加一個線性調(diào)節(jié)器，但線性調(diào)節(jié)器的效率非常低，限制了它的低輸出電流應(yīng)用。另一個選擇是用一個降壓轉(zhuǎn)換器作為后調(diào)節(jié)器。這種方法有較好的效率，但是如果后調(diào)節(jié)器在初級輸出端級聯(lián)的話，電源需要一個更大的輸出電感和電容，或者如果用多個副線圈的話將需要附加的整流器、電感和電容器。附加的電源轉(zhuǎn)換級和元器件增加了傳導(dǎo)損耗。另一個選擇是用磁放大后調(diào)節(jié)器，它的效率很高，特別是對中低電流的應(yīng)用，但在高電流應(yīng)用中效率很低。而且，它的復(fù)雜的裝配和輕負載時的低調(diào)節(jié)度使它不是一個完美的解決方案。一個較好的選擇是用新型的LT3710 設(shè)計后調(diào)節(jié)器。
LT3710 控制器在多輸出隔離電源的精確調(diào)節(jié)應(yīng)用方面具有簡單、高效率等優(yōu)點。
LT3710 是一種帶雙N 通道MOSFET 驅(qū)動的同步下降沿開關(guān)調(diào)節(jié)控制器，它可直接由變壓器的次級繞組生成一個精確穩(wěn)壓的次級輸出，從而最大限度地減小了主級輸出電感器和電容器尺寸。LT3710 是一種帶可編程電流保護和高達500KHz 轉(zhuǎn)換頻率的持續(xù)頻率電壓模式控制器。初級調(diào)節(jié)使它能很好地與無論電流模式還是電壓模式的主要輸出控制回路一起工作。
LT3710 后置穩(wěn)壓器的工作原理
LT3710 基本功能模塊包括一個用作反饋調(diào)節(jié)的電壓放大器，一個與級開關(guān)脈沖同步的斜波發(fā)生器，一個帶初級調(diào)節(jié)PWM 比較器，一個限流放大器和高速MOSFET 驅(qū)動器。
圖1 LT3710 簡單應(yīng)用電路和主要波形圖
圖1 給出了LT3710 的一個簡單應(yīng)用電路和主要波形圖。主要輸出功率級是一個前向變換器。LT3710 調(diào)節(jié)輔助輸出電壓Vout2 。LT3710 電路看似一個同步轉(zhuǎn)換器，除了輸入是一個從副線圈變壓器整流過來的脈沖電壓。
在一般的工作情況下，轉(zhuǎn)換周期從t0 時刻開始，即變壓器的次級整流電壓V1 的下降沿。觸發(fā)一個斜波從而開始一個新的PWM 轉(zhuǎn)換周期，關(guān)閉高電平MOSFET Q1( 控制開關(guān))，打開低電平Q2(同步開關(guān))。從t0 到t1，主轉(zhuǎn)換器Qp 和LT3710 電路的控制開關(guān)都是“關(guān)”的。在t1 時刻，變壓器的次級整流電壓V1 變高。在這一過程中(t1 到t2)，主變換器的控制開關(guān)是“開”的，但LT3710 的控制開關(guān)保持“關(guān)”。主控制電流Ip 等于反射的主輸出電感的電流IL1/N ，其中N 是變壓器原副線圈的匝數(shù)比。從t0 到t2，開關(guān)節(jié)點電壓V2 保持在零附近，輔助電感電流IL 流入Cout2 和經(jīng)Vout2 流入負載。這種狀態(tài)將持續(xù)到t2 時刻，PWM 斜波信號與電壓誤差放大器的輸出Vaout 相交叉。高電平MOSFET Q1 打開，低電平Q2 關(guān)閉。開關(guān)節(jié)點電壓V2 被拉高到V1， 給輔助電感充電。從t2 到t3，主轉(zhuǎn)換器Qp 和LT3710 電路的控制開關(guān)都是“開”的。主開關(guān)電流Ip 是這段時期反射主輸出電感電流和輔助輸出電感電流的總合(IL1+IL)/N 。這種狀態(tài)在t3 時刻結(jié)束，此時變壓器的次級整流電壓V1 變?yōu)榱悖乱粋€開關(guān)周期開始了。
在t2 時刻，當LT3710 的控制開關(guān)打開時，主開關(guān)電流有一個跳變。即使峰值電流模式控制用于初級，初級調(diào)制也能消除環(huán)路的不穩(wěn)定性。
LT3710 的同步閾值大約為2.5V ，變壓器次級整流的下降沿必須每個周期都穿過該閾值。為了保證正確同步，LT3710 內(nèi)置振蕩器頻率應(yīng)設(shè)置得比系統(tǒng)開關(guān)頻率低一些。輔助輸出Vout2 的范圍從0.8V 大到接近主輸出電壓Vout1 。Vout2 可由D2Vsp 決定，其中Vsp 為次級電壓Vin/N 的幅度，D2 為開關(guān)節(jié)點電壓V2 的工作周期。 雙輸出隔離雙開關(guān)的向電源
圖2 所示為LT3710 的一種應(yīng)用，一個雙輸出高效隔離DC/DC 電源，輸入電壓范圍36V~72V ，產(chǎn)生3.3V/10A 和1.8V/10A 兩種輸出。基本功率級拓撲結(jié)構(gòu)是采用一個同步整流的雙開關(guān)前向變換器。初級控制器用一個LT3781，它是一個內(nèi)置MOSFET 驅(qū)動器的電流模式雙開關(guān)前向控制器。在次級側(cè)，一個同步整流控制器LTC1698 為主3.3V 輸出提供電壓反饋，并為同步MOSFET 提供柵級驅(qū)動。主3.3V 電路的誤差放大輸出流入光耦并接到初級LT3781 來完成主3.3V 的調(diào)節(jié)。輔1.8V 輸出由LT3710 電路精確調(diào)節(jié)。
圖2(a) 36V~72V DC 至3.3V/10A 和2.5V/10A 雙輸出隔離電源(第一部分：主變換器)
圖2(b) 36V~72V DC 至3.3V/10A 和2.5V/10A 雙輸出隔離電源(第二部分：后置穩(wěn)壓器電路)限流也由LT3710 提供。電流極限可通過外部敏感電阻Rsense 編程為70mV/Rsense。若無需限流，則把電流判讀針CL+ 和CL-接地。
一個脈沖工程平坦變壓器充當電源變壓器。此變壓器建立在一個帶九匝主線圈、兩匝副線圈、七匝輔助線圈的PQ20 芯上，輔線圈作為LT3781 側(cè)供應(yīng)電源。由于最大副線圈電壓約為16V，考慮到副電壓過沖擊的典型值為20%到30％，所以選擇30V 的MOSFET 。這種設(shè)計中，選擇Si7892DP N 通道MOSFET 是為了低RDS(ON) 、30V 的VDSS 額定值和熱敏SO-8 封裝的PowerPAKTM 。
這一電路在開關(guān)頻率230KHz 時提供1500V 的輸入－輸出隔離。其他的特性包括初級開關(guān)控制、3.3V 輸出時正負5％的次級補償、輸入過壓保護、低壓切斷和熱切斷。全部電路裝配在標準的半英寸厚、半磚大的PC 板上。
圖3 顯示了LT3710 后置穩(wěn)壓器在48V 輸入、3.3V/10A 和1.8V/10A 輸出時的輸入電壓、開關(guān)節(jié)點電壓、電感電流波形。此電路的效率曲線如圖4 所示。在48V 輸入和主輸出、副輸出滿負荷負載時所測得的總效率為86％。
圖3 后置穩(wěn)壓器在48V 輸入至3.3V/10A 和2.5V/10A 輸出時的輸入電壓、開關(guān)節(jié)點電壓、電感電流波形
圖4 圖2 電路的效率－負載電流曲線
圖5 用LT3710 構(gòu)成的推挽式變換器的簡單電路 其他應(yīng)用LT3710 的隔離拓撲結(jié)構(gòu)
LT3710 的應(yīng)用不僅限于前向變換器拓撲結(jié)構(gòu)，它還可用于降壓型結(jié)構(gòu)導(dǎo)出的單端或雙端隔離拓撲結(jié)構(gòu)，比如推挽式、半橋和全橋轉(zhuǎn)換器。圖5 顯示了用LT3710 構(gòu)成的推挽式變換器的簡單電路，初級控制器是一個LTC1922－1 同步相位調(diào)制控制器，次級用LT1431 和一個可用來反饋輸出信號驅(qū)動光耦合器的編程基準。次級MOSFET 可以由LT1693-1 驅(qū)動，它包含兩個高速雙N 通道MOSFET 驅(qū)動器。LT3710 調(diào)節(jié)輔助輸出。注意因為雙端次級結(jié)構(gòu)，LT3710 工作在主輸出推挽轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的兩倍頻率處。更高的開關(guān)頻率意味著電感L2 和輸出電容C2 可以更小些。圖6 顯示了LT3710 的全橋式應(yīng)用。
圖6 用LT3710 構(gòu)成全橋式變換器的簡單電路 結(jié)語
LT3710 是一種高效的次級同步后置穩(wěn)壓器控制器，在多輸出隔離電源中用來產(chǎn)生嚴密調(diào)節(jié)的輔助輸出。LT3710 提供了一個簡單、高效和節(jié)省空間的后調(diào)節(jié)方案，特別是在低電壓/高電流的應(yīng)用中
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