反激式控制器免除了光耦合器并簡(jiǎn)化了設計

引言
包括電信和數據通信在內的眾多 DC/DC 轉換器應用都需要隔離式輸出。許多數據通信系統通過(guò)一根 48V 總線(xiàn)來(lái)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(xiàn)至子系統工作電壓的隔離型 DC/DC 轉換，以增強可靠性并在發(fā)生故障或短路的情況下提供安全保護。在系統內部的每塊外設板卡之上一般都布設有一根隔離式中間總線(xiàn)轉換器，用于向負載點(diǎn)穩壓器提供一個(gè)較低的總線(xiàn)電壓。這些中間總線(xiàn)轉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(lèi)模塊采用標準的焊腳和結構封裝，從而使其成為一種快速適用型解決方案。這可能意味著(zhù)工程設計時(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(huì )招致額外的成本，而且在大多數場(chǎng)合中模塊制造商都不允許客戶(hù)控制模塊內部所使用的組件。MOSFET、二極管或變壓器等內部組件的變更有可能顯著(zhù)地改變模塊的 EMI 特性。此外，模塊內部的此類(lèi)變更在標準的生產(chǎn)流程測試程序中常常發(fā)現不了。不過(guò)，功率轉換技術(shù)的近期發(fā)展已使較低功率隔離型轉換器的設計大為簡(jiǎn)化，并允許對設計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(chē)電池和工業(yè)輸入) 分離開(kāi)來(lái)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 系統以及某些醫療監控設備也都會(huì )遭受噪聲總線(xiàn)電壓的負面影響。

在隔離型 DC/DC 應用中廣泛使用反激式轉換器已有多年；然而，它們卻未必是設計人員的首選。電源設計師選用反激式轉換器并不是因為它們可降低設計難度，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，反激式轉換器存在穩定性問(wèn)題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會(huì )使該問(wèn)題進(jìn)一步復雜化。此外，反激式轉換器還需要專(zhuān)門(mén)花費大量的時(shí)間進(jìn)行變壓器的設計，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，所以導致此項設計工作變得愈發(fā)復雜。不過(guò)，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(lèi)反激式設計的諸多難題。

新型反激式 IC 簡(jiǎn)化了設計
首先，LT3748 免除了增設光耦合器、副端基準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 運用了一種主端檢測方案，該方案能通過(guò)反激式變壓器主端開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形來(lái)檢測輸出電壓。在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間，輸出二極管負責向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓的數值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT3748 能夠重構)。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個(gè)線(xiàn)路電壓輸入范圍、溫度范圍以及一個(gè) 2% 至 100% 的負載范圍內實(shí)現了優(yōu)于 ±5% 的總調節準確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉換器原理圖。

圖 1：采用主端輸出電壓檢測的 LT3748 反激式轉換器

LT3748 可接受一個(gè) 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內的輸入電壓可以直接施加至 IC，而無(wú)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作。另外，這款器件的板上柵極驅動(dòng)器可為一個(gè)外部 NPN 電源開(kāi)關(guān)供電，使得它能夠提供高達 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 所運用的邊界模式操作進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統設計，并縮減了總體轉換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉換器在副端電流減小至零之后立即接通其內部開(kāi)關(guān)，并在開(kāi)關(guān)電流達到預定電流限值時(shí)關(guān)斷。于是，它始終工作在連續導通模式 (CCM) 和不連續導通模式 (DCM) 的轉換之時(shí)，這通常被稱(chēng)為邊界模式或臨界導通模式。該器件的其他特點(diǎn)包括可編程軟起動(dòng)、可調電流限值、欠壓閉鎖和溫度補償。輸出電壓由變壓器匝數比以及兩個(gè)與 RFB 和 RREF 引腳相連的外部電阻器設定。

主端輸出電壓檢測
隔離型轉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電壓。光耦合器用于通過(guò)光鏈路來(lái)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(huì )隨著(zhù)溫度和老化而有所改變，從而使其準確度下降。光耦合器還引入了一個(gè)傳播延遲，進(jìn)而導致較慢的瞬態(tài)響應 (因部件的不同可能是非線(xiàn)性的)，這還會(huì )造成一款設計在不同的電路中表現出不同的特性。也可以采用一種使用附加變壓器繞組 (用于實(shí)現電壓反饋) 的反激式設計，以代替光耦合器對反饋環(huán)路實(shí)施補償。然而，這個(gè)附加的變壓器繞組會(huì )增加變壓器的尺寸和成本。

LT3748 通過(guò)檢測變壓器主端上的輸出電壓免除了增設一個(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(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形上準確地測量，其中的 N 為變壓器的匝數比，VIN 為輸入電壓，而 VC 為最大箝位電壓。

圖 2：典型的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形

邊界模式操作縮減了轉換器尺寸并改善了調節性能
邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開(kāi)關(guān)方案。當內部電源開(kāi)關(guān)接通時(shí)；變壓器電流增加，直至達到其預設電流限值設定點(diǎn)為止。SW 引腳上的電壓上升至 “輸出電壓 / 變壓器副端-主端匝數比” + “輸入電壓”。當流過(guò)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。內部 DCM 比較器檢測到這一情況并重新接通開(kāi)關(guān)，從而重復該循環(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(huì )引起負載調節誤差。此外，主端反激式開(kāi)關(guān)始終在零電流時(shí)接通，而且輸出二極管沒(méi)有反向恢復損耗。功率損失的這種減少使得反激式轉換器能夠在一個(gè)較高的開(kāi)關(guān)頻率下運作，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計方案)。圖 3 示出了 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。