反激式控制器免除光耦合器并簡化設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯反激式控制器免除光耦合器并簡化設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用在隔離型DC/DC應(yīng)用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年，然而，它們卻未必是設(shè)計人員的。電源設(shè)計師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因為它們可降低設(shè)計難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點的原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費大量的時間進(jìn)行變壓器的設(shè)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(dǎo)致此項設(shè)計工作變得愈發(fā)復(fù)雜。不過，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反激式設(shè)計的諸多難題。

新型反激式IC簡化了設(shè)計

首先，LT3748免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時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，該方案能通過反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點波形來檢測輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管負(fù)責(zé)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。開關(guān)節(jié)點電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和(LT3748能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及一個2%至100%的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)了優(yōu)于±5%的總調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。圖1示出了一款采用LT3748的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。

圖1：采用主端輸出電壓檢測的LT3748反激式轉(zhuǎn)換器

LT3748可接受一個5V至100V的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至IC，而無需使用一個串聯(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個引腳以實現(xiàn)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(qū)動器可為一個外部NPN電源開關(guān)供電，使得它能夠提供高達(dá)50W左右的功率(其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)一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開關(guān)，并在開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定電流限值時關(guān)斷。于是，它始終工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)的轉(zhuǎn)換之時，這通常被稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。該器件的其他特點包括可編程軟起動、可調(diào)電流限值、欠壓閉鎖和溫度補償。輸出電壓由變壓器匝數(shù)比以及兩個與RFB和RREF引腳相連的外部電阻器設(shè)定。

主端輸出電壓檢測

隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器和副端基準(zhǔn)電壓。光耦合器用于通過光鏈路來傳送輸出電壓反饋信號，同時保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比會隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準(zhǔn)確度下降。光耦合器還引入了一個傳播延遲，進(jìn)而導(dǎo)致較慢的瞬態(tài)響應(yīng)(因部件的不同可能是非線性的)，這還會造成一款設(shè)計在不同的電路中表現(xiàn)出不同的特性。也可以采用一種使用附加變壓器繞組(用于實現(xiàn)電壓反饋)的反激式設(shè)計，以代替光耦合器對反饋環(huán)路實施補償。然而，這個附加的變壓器繞組會增加變壓器的尺寸和成本。

LT3748通過檢測變壓器主端上的輸出電壓免除了增設(shè)一個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)斷期間的主端開關(guān)節(jié)點波形上準(zhǔn)確地測量，其中的N為變壓器的匝數(shù)比，VIN為輸入電壓，而VC為箝位電壓。

圖2：典型的開關(guān)節(jié)點波形

邊界模式操作縮減轉(zhuǎn)換器尺寸并改善調(diào)節(jié)性能

邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方案。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時，變壓器電流增加，直至達(dá)到其預(yù)設(shè)電流限值設(shè)定點為止。SW引腳上的電壓上升至“輸出電壓/變壓器副端-主端匝數(shù)比”+“輸入電壓”。當(dāng)流過二極管的副端電流減小至零時，SW引腳電壓下降至低于VIN。內(nèi)部DCM比較器檢測到這一情況并重新接通開關(guān)，從而重復(fù)該循環(huán)。

邊界模式在每個周期的末端使副端電流歸零，因而使得寄生阻性壓降不會引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。此外，主端反激式開關(guān)始終在零電流時接通，而且輸出二極管沒有反向恢復(fù)損耗。功率損失的這種減少使得反激式轉(zhuǎn)換器能夠在一個較高的開關(guān)頻率下運作，這反過來又縮減了變壓器的尺寸(相比于較低頻率的替代設(shè)計方案)。圖3顯示出了SW電壓和電流以及輸出二極管中的電流。

圖3：邊界模式中的反激式轉(zhuǎn)換器波形

由于始終在二極管電流零交叉點上進(jìn)行反射輸出電壓的采樣，因此負(fù)載調(diào)節(jié)性能在邊界模式操作中得到了大幅度的改善。LT3748通?？商峁?%的負(fù)載調(diào)節(jié)。

變壓器的選擇和設(shè)計考慮因素

就LT3748的成功應(yīng)用而言，變壓器的規(guī)格和設(shè)計可能是為關(guān)鍵的部分了。除了處理高頻隔離型電源變壓器設(shè)計的常見注意事項(實現(xiàn)低漏電感和緊密耦合)之外，還必須嚴(yán)格控制變壓器的匝數(shù)比。由于變壓器副端上的電壓是由主端上的采樣電壓推知的，因此必須嚴(yán)格控制匝數(shù)比以確保獲得一致的輸出電壓。各變壓器之間±5%的匝數(shù)比容差有可能在輸出電壓中產(chǎn)生超過±5%的變化。幸運的是，大多數(shù)磁性元件制造商都能夠保證±1%或更好的匝數(shù)比容差指標(biāo)。

凌力爾特公司與主要的磁性元件制造商進(jìn)行了合作，以生產(chǎn)供LT3748使用的預(yù)設(shè)計型反激式變壓器。這些變壓器一般能夠承受1500VAC的主端至副端擊穿電壓(持續(xù)時間為一分鐘)。也可以使用擊穿電壓更高的變壓器和定制變壓器。

另外，凌力爾特還提供了名為“LTspice”的仿真軟件。

變壓器漏電感

在電源開關(guān)斷開之后，變壓器主端或副端上的漏電感會在主端上引發(fā)一個電壓尖峰。在必須消耗更多儲能的較高負(fù)載電流條件下，該電壓尖峰將變得愈發(fā)突出。通過變壓器繞組的緊密耦合可以限度地減小漏電感，并可通過讀出一個變壓器繞組上的電感(使其他繞組短路)來測量漏電感。

下面圖4中示出的簡單RCD(電阻器、電容器和二極管)箝位電路可防止漏電感尖峰超過功率器件的擊穿電壓。所有的LT3748應(yīng)用電路中都包括此電路，而肖特基二極管則因其快速接通時間而常常成為吸振器的選擇。

圖4：RCD箝位電路

圖5：LT3748應(yīng)用電路的照片(尺寸：38mmx19mmx9.5mm)

圖5示出了一款采用LT3748的演示電路板。該電路可接受一個范圍從22V至75V的輸入電壓，并在高達(dá)2.5A的電流條件下產(chǎn)生一個隔離型12V輸出。

結(jié)論

盡管隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計對于設(shè)計工程師來說并不簡單，但是除了采用模塊或復(fù)雜的分立式實現(xiàn)方案之外，如今我們有了一種替代方案?；贚T3748的電路無需光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器