技術分享:隔離型內務處理反激式轉換器簡化電源設計
發布時間:2014-09-12 責任編輯:echolady
【導讀】很多 DC/DC 轉換器應用都需要隔離輸出,不僅有 48V 隔離要求的電信和數據通信。對於需要隔離地與有噪聲輸入電壓的噪聲敏感設備,隔離是必須的,例如汽車電池、中間總線和工業輸入。顯示器、可編程邏輯控製器、GPS 係統以及一些醫療監視設備都可能受到噪聲總線電壓的負麵影響。醫學檢查攝像頭、牙科設備、以(yi)及(ji)睡(shui)眠(mian)與(yu)關(guan)鍵(jian)體(ti)征(zheng)監(jian)視(shi)器(qi)等(deng)都(dou)使(shi)用(yong)顯(xian)示(shi)器(qi),這(zhe)些(xie)顯(xian)示(shi)器(qi)都(dou)可(ke)能(neng)受(shou)到(dao)噪(zao)聲(sheng)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)。隔(ge)離(li)式(shi)電(dian)源(yuan)提(ti)供(gong)地(di)隔(ge)離(li),可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)顯(xian)示(shi)器(qi)異(yi)常(chang)的(de)噪(zao)聲(sheng)。
多年來,反激式轉換器一直廣泛地用於隔離式 DC/DC 應(ying)用(yong)。但(dan)是(shi)這(zhe)類(lei)轉(zhuan)換(huan)器(qi)未(wei)必(bi)是(shi)設(she)計(ji)師(shi)的(de)首(shou)選(xuan)。電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)師(shi)被(bei)迫(po)選(xuan)擇(ze)反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)是(shi)因(yin)為(wei)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)較(jiao)低(di)功(gong)率(lv)的(de)隔(ge)離(li)需(xu)求(qiu),而(er)不(bu)是(shi)因(yin)為(wei)這(zhe)類(lei)轉(zhuan)換(huan)器(qi)更(geng)易(yi)於(yu)設(she)計(ji)。由(you)於(yu)大(da)家(jia)熟(shu)知(zhi)的(de)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)中(zhong)右(you)半(ban)平(ping)麵(mian)零(ling)點(dian)問(wen)題(ti),反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)有(you)穩(wen)定(ding)性(xing)問(wen)題(ti),而(er)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)、老化及增益變化會使這一問題進一步複雜化。
此外,使用反激式轉換器時,需要在變壓器shejishanghuafeidaliangshijian,ertongchangxianchengyoushoubianyaqidexuanzehenyouxian,erqiekenengxuyaodingzhibianyaqi,zheshibianyaqishejizheyirenwubiandegengjiafuzale。youyudianyuanzhuanhuanjishulingyudejinbu,jiaodigonglvgelishizhuanhuanqideshejixianzairongyiduole。lingliertegongsibujiuqiantuichule LT8302 隔離型反激式轉換器,解決了很多這類反激式設計難題。
簡單的反激式 IC 設計
LT8302 無需光耦合器和副邊基準電壓,無需電源變壓器額外提供第三個繞組,同時僅用一個組件 (必須跨隔離勢壘的電源變壓器),就可保持主邊和副邊隔離。LT8302 采cai用yong主zhu邊bian檢jian測ce電dian路lu,該gai電dian路lu能neng夠gou通tong過guo反fan激ji的de主zhu邊bian開kai關guan節jie點dian波bo形xing檢jian測ce輸shu出chu電dian壓ya。在zai開kai關guan斷duan開kai時shi,輸shu出chu二er極ji管guan向xiang輸shu出chu提ti供gong電dian流liu,輸shu出chu電dian壓ya返fan射she至zhi反fan激ji式shi變bian壓ya器qi的de主zhu邊bian。開kai關guan節jie點dian電dian壓ya的de幅fu度du是shi輸shu入ru電dian壓ya和he返fan射she的de輸shu出chu電dian壓ya之zhi和he,LT8302 能夠重建該輸出電壓。在整個電壓、負載和溫度範圍內,這種輸出電壓反饋方法實現了好於 ±5% 的總體穩定度。圖 1 顯示了采用 LT8302 反激式轉換器的原理圖,該電路僅采用了 14 個外部組件。

圖1:具主邊輸出電壓檢測的 LT8302 反激式轉換器
LT8302 采用 8 引線耐熱性能增強型 SO-8 封裝,接受 2.8V 至 42V 的輸入電壓。其堅固的內置 3.6A、65V 內部 DMOS 功率開關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模式 (Burst Mode®) 運行,將靜態電流降至僅為 106µA,這(zhe)在(zai)保(bao)持(chi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)穩(wen)定(ding)的(de)同(tong)時(shi),延(yan)長(chang)了(le)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)的(de)電(dian)池(chi)運(yun)行(xing)時(shi)間(jian)。其(qi)他(ta)特(te)點(dian)包(bao)括(kuo)內(nei)部(bu)軟(ruan)啟(qi)動(dong)和(he)欠(qian)壓(ya)閉(bi)鎖(suo)。設(she)定(ding)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)時(shi),僅(jin)需(xu)要(yao)調(tiao)節(jie)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)匝(za)數(shu)比(bi)和(he) 1 個外部電阻器。
主邊輸出電壓檢測
gelishizhuanhuanqideshuchudianyajiancetongchangxuyaoyigeguangouheqihefubianjizhundianya。guangouheqitongguoguanglianluchuansongshuchudianyafankuixinhao,tongshibaochigelishilei。raner,guangouheqichuanshubisuiwendubianhuahelaohuachengduergaibian,congerjiangdilezhunquedu。guangouheqizhijianhaiyoukenengshifeixianxingde,zhedaozhidianluzhijianbutongdezengyi / 相xiang位wei特te性xing。額e外wai采cai用yong一yi個ge變bian壓ya器qi繞rao組zu實shi現xian電dian壓ya反fan饋kui的de反fan激ji式shi設she計ji還hai可ke能neng被bei用yong來lai閉bi合he反fan饋kui環huan路lu。然ran而er,這zhe個ge額e外wai的de變bian壓ya器qi繞rao組zu增zeng大da了le變bian壓ya器qi的de尺chi寸cun並bing增zeng加jia了le變bian壓ya器qi成cheng本ben,而er且qie不bu能neng提ti供gong非fei常chang好hao的de輸shu出chu電dian壓ya穩wen定ding度du。
LT8302 在變壓器主邊檢測輸出電壓,因此無需光耦合器或額外的變壓器繞組。在圖 2 所示的功率晶體管斷開時,可在主邊開關節點波形上準確測量輸出電壓,圖中 N 是變壓器的匝數比,VIN 是輸入電壓,VC 是最高箝位電壓。

圖2:典型開關節點波形
邊界模式工作減小轉換器尺寸並改善調節性
副邊電流降至零時,LT8302 反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)立(li)即(ji)接(jie)通(tong)其(qi)內(nei)部(bu)開(kai)關(guan),而(er)當(dang)開(kai)關(guan)電(dian)流(liu)達(da)到(dao)預(yu)設(she)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)時(shi),則(ze)斷(duan)開(kai)該(gai)開(kai)關(guan)。因(yin)此(ci),該(gai)器(qi)件(jian)始(shi)終(zhong)在(zai)連(lian)續(xu)導(dao)通(tong)模(mo)式(shi)和(he)斷(duan)續(xu)導(dao)通(tong)模(mo)式(shi)之(zhi)間(jian)轉(zhuan)換(huan),這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)常(chang)稱(cheng)為(wei)邊(bian)界(jie)模(mo)式(shi)或(huo)臨(lin)界(jie)導(dao)通(tong)模(mo)式(shi)。
邊界模式控製是一種可變頻率電流模式開關方法。當內部電源開關接通時,變壓器電流上升,直至達到其當前電流限製設定點為止。SW 引腳上的電壓上升至輸出電壓除以副-主變壓器匝數比再加上輸入電壓之和。當通過二極管的副邊電流降至零時,SW 引腳電壓降至低於 VIN。LT8302 檢測這一事件,並重新接通開關,再次重複上述周期。
邊(bian)界(jie)模(mo)式(shi)在(zai)每(mei)個(ge)周(zhou)期(qi)結(jie)束(shu)時(shi),使(shi)副(fu)邊(bian)電(dian)流(liu)返(fan)回(hui)到(dao)零(ling),所(suo)引(yin)起(qi)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)阻(zu)性(xing)電(dian)壓(ya)降(jiang)不(bu)引(yin)起(qi)負(fu)載(zai)調(tiao)節(jie)性(xing)誤(wu)差(cha)。此(ci)外(wai),主(zhu)邊(bian)反(fan)激(ji)開(kai)關(guan)在(zai)電(dian)流(liu)為(wei)零(ling)時(shi)始(shi)終(zhong)接(jie)通(tong),輸(shu)出(chu)二(er)極(ji)管(guan)沒(mei)有(you)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)損(sun)耗(hao)。這(zhe)種(zhong)功(gong)耗(hao)降(jiang)低(di)使(shi)反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)能(neng)夠(gou)以(yi)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)運(yun)行(xing),這(zhe)與(yu)其(qi)他(ta)較(jiao)低(di)頻(pin)率(lv)的(de)設(she)計(ji)相(xiang)比(bi),可(ke)減(jian)小(xiao)變(bian)壓(ya)器(qi)尺(chi)寸(cun)。圖(tu) 3 顯示了 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。

圖3:邊界模式反激式轉換器波形
由於返射的輸出電壓始終在二極管電流過零時采樣,所以 LT8302 負載調節非常出色,而且一般在整個輸出負載範圍內好於 ±1%,如圖 4 所示。

圖4:原理圖的負載與電壓調節曲線
變壓器選擇與設計時的考慮因素
變壓器性能規格與設計也許是成功應用 LT8302 最(zui)關(guan)鍵(jian)的(de)部(bu)分(fen)。應(ying)對(dui)高(gao)頻(pin)隔(ge)離(li)式(shi)電(dian)源(yuan)變(bian)壓(ya)器(qi)設(she)計(ji)時(shi),除(chu)了(le)通(tong)常(chang)的(de)注(zhu)意(yi)事(shi)項(xiang),例(li)如(ru)低(di)泄(xie)漏(lou)電(dian)感(gan)和(he)緊(jin)耦(ou)合(he),變(bian)壓(ya)器(qi)匝(za)數(shu)比(bi)也(ye)必(bi)須(xu)嚴(yan)格(ge)控(kong)製(zhi)。既(ji)然(ran)變(bian)壓(ya)器(qi)副(fu)邊(bian)電(dian)壓(ya)是(shi)靠(kao)主(zhu)邊(bian)采(cai)樣(yang)電(dian)壓(ya)推(tui)斷(duan),那(na)麼(me)匝(za)數(shu)比(bi)必(bi)須(xu)嚴(yan)格(ge)控(kong)製(zhi)以(yi)確(que)保(bao)一(yi)致(zhi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。
淩力爾特已經與領先磁性組件製造商合作,以生產為與 LT8302 一起使用而預設計的反激式變壓器。表 1 顯示了建議使用和 Wurth Electronik 公司提供的現成有售變壓器。這些變壓器一般能承受從主邊到副邊 1500VAC 擊穿電壓一分鍾。也可以使用更高擊穿電壓的變壓器和定製變壓器。
表 1:可用於 LT8302 的現成有售變壓器

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