隔離型分立式正向 DC/DC 設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。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(shù)據(jù)通信、工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)中的分布式電源架構(gòu)中，在這類(lèi)系統(tǒng)中，總線(xiàn)電壓供給系統(tǒng)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(zhuǎn)換器。很多這類(lèi)磚結(jié)合了幾百個(gè)器件，因此相比在 PCB 上設(shè)計(jì)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(dǎo)者。很多公司經(jīng)歷了幾年艱苦細(xì)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?fù)浜涂刂齐娐罚⑹冀K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(kuò)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(shù)變化的其他尺寸。

不過(guò)，隨著專(zhuān)用 DC/DC 控制器和單片器件的推出以及現(xiàn)成有售的平面電源變壓器和電感器的出現(xiàn)，使分立式設(shè)計(jì)比以前容易多了。實(shí)際上，隔離型反激式設(shè)計(jì)可以用 15 個(gè)器件實(shí)現(xiàn)，正向轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)師擁有了開(kāi)發(fā)隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)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(xiàn)這類(lèi)分立式設(shè)計(jì)更容易了。有些設(shè)計(jì)在反饋環(huán)路中也不再需要光耦合器或信號(hào)變壓器了，而且很多設(shè)計(jì)可以用于軍事應(yīng)用，在 -55°C 至 150°C 的溫度范圍內(nèi)工作。

很多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用都需要隔離輸出，而不僅是電信和數(shù)據(jù)通信規(guī)定了 48V 隔離要求。對(duì)于需要把地和帶噪聲的輸入電壓隔離之噪聲敏感型設(shè)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(duì)顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統(tǒng)以及一些醫(yī)療監(jiān)視設(shè)備造成負(fù)面影響。用于檢查的相機(jī)、牙科儀器、睡眠和生命體征監(jiān)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?fù)淇刂破?，可用在隔離型高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，以實(shí)現(xiàn)反激式、正向、推挽、全橋式拓?fù)洹Ｓ行┌姹居型秸?，有些則沒(méi)有，大多數(shù)沒(méi)有光耦合器，有些用信號(hào)變壓器閉合反饋環(huán)路，另一些則檢測(cè)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(shù)據(jù)通信市場(chǎng) (36V 至 75V)，還有一些在 18V 至 75V 輸入電壓范圍內(nèi)工作。凌力爾特為所有這些拓?fù)湟约? 1.2V 至 48V 的輸入電壓和輸出電壓提供預(yù)制設(shè)計(jì)。用戶(hù)可以獲得每種設(shè)計(jì)的演示電路板、電氣原理圖、用料單以及 Gerber 文件。快速起動(dòng)指南提供性能曲線(xiàn)，包括負(fù)載 / 電壓調(diào)節(jié)、紋波和噪聲、效率和瞬態(tài)響應(yīng)。

隔離型正向轉(zhuǎn)換器

在隔離型高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中最流行使用的拓?fù)渲皇钦蜣D(zhuǎn)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(xiàn)控制，另一些則同時(shí)有主端和副端 IC，以實(shí)現(xiàn)控制、定時(shí)以及驅(qū)動(dòng)同步 MOSFET。具備同步整流和多相交錯(cuò)功率級(jí)的最新控制器 IC 使降壓型轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單性、高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)，因此設(shè)計(jì)師長(zhǎng)久以來(lái)一直很受益?，F(xiàn)在正向轉(zhuǎn)換器也具備了降壓型轉(zhuǎn)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(gòu)成組件數(shù)很少的應(yīng)用。實(shí)際上，圖 1 中的 LT8310 原理圖僅用了 20 個(gè)組件，就構(gòu)成了一個(gè)輸出功率高達(dá) 78W 的隔離型正向轉(zhuǎn)換器。

圖 1：LT8310 隔離型正向轉(zhuǎn)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(biāo)稱(chēng) 48V 輸入以高達(dá) 6.5A 電流產(chǎn)生 12V 輸出，效率高達(dá) 92%。這款主端正向控制器具備諧振復(fù)位運(yùn)行功能，在 6V 至 100V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，以提供高達(dá) 200W 功率為目標(biāo)。這款器件可用在同步或非同步應(yīng)用中。就同步運(yùn)行而言，LT8310 通過(guò)脈沖變壓器向副端 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)同步整流定時(shí)。同步設(shè)計(jì)對(duì)較高功率或較低輸出電壓應(yīng)用最有利。無(wú)需使用光耦合器，就可實(shí)現(xiàn) ±8% 的輸出電壓調(diào)節(jié)，如圖 2 所示。

圖 2：圖 1 原理圖中 LT8310 的輸出電壓調(diào)節(jié)

使用光耦合器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn) ±1.5% 的調(diào)節(jié)。可編程伏-秒箝位針對(duì)變壓器復(fù)位提供保護(hù)，以防止飽和并保護(hù) 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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在較低功率要實(shí)現(xiàn)甚至更簡(jiǎn)單的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以使用反激式拓?fù)?。反激式轉(zhuǎn)換器很多年來(lái)一直廣泛用于隔離型 DC/DC 應(yīng)用，但這種轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計(jì)師的首選。電源設(shè)計(jì)師之所以迫不得已選擇反激式轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)楸仨殱M(mǎn)足較低功率隔離要求，而不是因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換器更易于設(shè)計(jì)。因?yàn)榭刂骗h(huán)路中存在右半平面零點(diǎn)，所以反激式轉(zhuǎn)換器有穩(wěn)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(fù)雜化了。反激式轉(zhuǎn)換器需要在變壓器設(shè)計(jì)上花費(fèi)大量時(shí)間，由于通?，F(xiàn)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(shè)計(jì)任務(wù)更加復(fù)雜了。電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)步已經(jīng)使隔離型轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計(jì)了。凌力爾特的 LT8302 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器消除了很多這類(lèi)反激式設(shè)計(jì)的障礙。

LT8302 無(wú)需光耦合器、副端基準(zhǔn)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(shì)壘兩端，就可保持主端和副端隔離。LT8302 采用主端檢測(cè)方法，能夠通過(guò)反激的主端開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形檢測(cè)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(jié)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(fù)載和溫度變化范圍內(nèi)產(chǎn)生優(yōu)于 ±5% 的總體穩(wěn)壓。圖 3 顯示了采用 LT8302 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖，該轉(zhuǎn)換器僅用了 14 個(gè)外部組件。

圖3：具主端輸出電壓檢測(cè)的 LT8302 反激式轉(zhuǎn)換器

LT8302 采用 8 引線(xiàn)耐熱增強(qiáng)型 SO-8 封裝，接受 2.8V 至 42V 輸入電壓。其具有堅(jiān)固的 3.6A、65V 內(nèi)部 DMOS 電源開(kāi)關(guān)允許該器件提供高達(dá) 18W 左右的輸出功率。

此外，LT8302 在輕負(fù)載時(shí)以低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 運(yùn)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(wěn)定狀態(tài)時(shí)延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部軟啟動(dòng)和欠壓閉鎖。設(shè)定輸出電壓僅需要變壓器匝數(shù)比和一個(gè)外部電阻器。

主端輸出電壓檢測(cè)

隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測(cè)通常需要光耦合器和副端基準(zhǔn)電壓。光耦合器通過(guò)光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)保持隔離勢(shì)壘。不過(guò)，光耦合器傳輸比隨溫度及老化而變，這降低了準(zhǔn)確度。不同光耦合器之間還有可能是非線(xiàn)性的，這導(dǎo)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(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計(jì)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(wěn)定度。

LT8302 在變壓器主端檢測(cè)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(jié)點(diǎn)波形處可以準(zhǔn)確地測(cè)量輸出電壓，如圖 4 所示，其中 N 是變壓器匝數(shù)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(jié)點(diǎn)波形

針對(duì) LT8302 的變壓器選擇和設(shè)計(jì)考慮

變壓器性能規(guī)格和設(shè)計(jì)對(duì)成功應(yīng)用 LT8302 也許是最關(guān)鍵的。除了設(shè)計(jì)高頻隔離型電源變壓器通常需要注意的事項(xiàng)，即低泄漏電感和緊耦合，變壓器匝數(shù)比也必須嚴(yán)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(yù)設(shè)計(jì)反激式變壓器。表 1 列出了一些推薦使用的現(xiàn)成有售 Wurth Electronik 變壓器，這些變壓器也列在 LT8302 數(shù)據(jù)表中。這些變壓器一般能夠在持續(xù) 1 分鐘時(shí)間內(nèi)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(xiàn)成有售變壓器

結(jié)論

廣泛提供的專(zhuān)用控制 IC 已經(jīng)使各公司能夠設(shè)計(jì)自己的高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，而不必經(jīng)歷設(shè)計(jì)師幾年前還必須面對(duì)的漫長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。各公司允許其設(shè)計(jì)師全面控制設(shè)計(jì)和所用組件，從而使設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品也許不提供的特定功能，而且常常允許設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)更低的總體成本。隨著特定拓?fù)淇刂破鳌F(xiàn)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(xiàn)在有了全面的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器了。