隔離型分立式正向 DC/DC 設計需要極少外部組件

引言

過(guò)去 25 年來(lái)，高密度隔離型 DC/DC 轉換器已經(jīng)發(fā)生了顯著(zhù)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、數據通信、工業(yè)和醫療系統中的分布式電源架構中，在這類(lèi)系統中，總線(xiàn)電壓供給系統中的每一塊電路板，而且每個(gè)電路板都有自己的隔離型 DC/DC 轉換器。很多這類(lèi)磚結合了幾百個(gè)器件，因此相比在 PCB 上設計分立式電源，使用這類(lèi)磚會(huì )容易得多。那時(shí)，幾家電源公司匆忙進(jìn)入了這一市場(chǎng)，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(kāi)發(fā)，將產(chǎn)品推向了市場(chǎng)，開(kāi)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(lèi)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品很多最終與同類(lèi)產(chǎn)品有相同的占板面積，還有一些擁有獲得專(zhuān)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(wú)數變化的其他尺寸。

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

很多 DC/DC 轉換器應用都需要隔離輸出，而不僅是電信和數據通信規定了 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備而言，例如汽車(chē)電池、中間總線(xiàn)和工業(yè)輸入，隔離是必要的。具噪聲的總線(xiàn)電壓可能對顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統以及一些醫療監視設備造成負面影響。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(xiàn)的特定拓撲控制器，可用在隔離型高密度 DC/DC 轉換器中，以實(shí)現反激式、正向、推挽、全橋式拓撲。有些版本有同步整流，有些則沒(méi)有，大多數沒(méi)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(lái)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(chǎng) (9V 至 32V)，另一種用于電信 / 數據通信市場(chǎng) (36V 至 75V)，還有一些在 18V 至 75V 輸入電壓范圍內工作。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計。用戶(hù)可以獲得每種設計的演示電路板、電氣原理圖、用料單以及 Gerber 文件?？焖倨饎?dòng)指南提供性能曲線(xiàn)，包括負載 / 電壓調節、紋波和噪聲、效率和瞬態(tài)響應。

隔離型正向轉換器

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

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

這個(gè)電路用標稱(chēng) 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(guò)脈沖變壓器向副端 MOSFET 驅動(dòng)器發(fā)送控制信號以實(shí)現同步整流定時(shí)。同步設計對較高功率或較低輸出電壓應用最有利。無(wú)需使用光耦合器，就可實(shí)現 ±8% 的輸出電壓調節，如圖 2 所示。

圖 2：圖 1 原理圖中 LT8310 的輸出電壓調節

使用光耦合器時(shí)，可以實(shí)現 ±1.5% 的調節?？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(gè)引腳以提供高壓間隔。

反激式轉換器設計

在較低功率要實(shí)現甚至更簡(jiǎn)單的隔離型 DC/DC 轉換器，可以使用反激式拓撲。反激式轉換器很多年來(lái)一直廣泛用于隔離型 DC/DC 應用，但這種轉換器未必是設計師的首選。電源設計師之所以迫不得已選擇反激式轉換器，是因為必須滿(mǎn)足較低功率隔離要求，而不是因為這種轉換器更易于設計。因為控制環(huán)路中存在右半平面零點(diǎn)，所以反激式轉換器有穩定性問(wèn)題，而光耦合器的老化和增益變化使這一問(wèn)題進(jìn)一步復雜化了。反激式轉換器需要在變壓器設計上花費大量時(shí)間，由于通?，F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，所以變壓器設計任務(wù)更加復雜了。電源轉換技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)步已經(jīng)使隔離型轉換器更容易設計了。凌力爾特的 LT8302 隔離型反激式轉換器消除了很多這類(lèi)反激式設計的障礙。

LT8302 無(wú)需光耦合器、副端基準電壓和額外的第三個(gè)變壓器繞組，而且僅通過(guò)電源變壓器這一個(gè)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(guò)反激的主端開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形檢測輸出電壓。在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，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(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓的幅度是輸入電壓和反射回來(lái)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(gè)電壓、負載和溫度變化范圍內產(chǎn)生優(yōu)于 ±5% 的總體穩壓。圖 3 顯示了采用 LT8302 的反激式轉換器原理圖，該轉換器僅用了 14 個(gè)外部組件。

圖3：具主端輸出電壓檢測的 LT8302 反激式轉換器

LT8302 采用 8 引線(xiàn)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 內部 DMOS 電源開(kāi)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(shí)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、輸出電壓處于穩定狀態(tài)時(shí)延長(cháng)了電池運行時(shí)間。其他特點(diǎn)包括內部軟啟動(dòng)和欠壓閉鎖。設定輸出電壓僅需要變壓器匝數比和一個(gè)外部電阻器。

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光耦合器和副端基準電壓。光耦合器通過(guò)光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號，同時(shí)保持隔離勢壘。不過(guò)，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(xiàn)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(shí)現電壓反饋的反激式設計也可用來(lái)閉合反饋環(huán)路。然而，這個(gè)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定度。

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

圖 4：典型的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形

針對 LT8302 的變壓器選擇和設計考慮

變壓器性能規格和設計對成功應用 LT8302 也許是最關(guān)鍵的。除了設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(kāi)合作，以生產(chǎn)能與 LT8302 一起使用的預設計反激式變壓器。表 1 列出了一些推薦使用的現成有售 Wurth Electronik 變壓器，這些變壓器也列在 LT8302 數據表中。這些變壓器一般能夠在持續 1 分鐘時(shí)間內承受 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 一起使用的現成有售變壓器

結論

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